Влияние температурного фактора на биологическую активность бактериальных сообществ формирующихся Антарктических почв (стр. 5 )

Впервые проведенные исследования биохимической активности при таянии мерзлых арктических пород, т. е. при переходе микробного комплекса к активному состоянию, показало вспышку активности внеклеточных ферментов (каталазы и инвертазы), а также синтеза РНК в первые часы таяния образцов по сравнению с тундровыми почвами. Одновременно, интенсивное выделение углекислого газа свидетельствовало о сохранении биохимической активности важнейших макромолекул в мерзлых биотопах, включающихся немедленно в репарационные процессы. (Мешкова, 1991, Vorobyova a Soina, 1994). Однако, в процессе таяния было отмечено подавление дегидрогеназной активности, что авторы объясняли возможной гибелью части клеток при размораживании. Авторы также отмечали, что описываемые ими процессы активизации каталазы и инвертазы в первые часы таяния образцов характеризовали поведение внеклеточных иммобилизованных ферментов, поскольку оба фермента хорошо стабилизируются в естественных субстратах, а корреляции с дыханием не прослеживалось. В пользу этого предположения свидетельствовал и факт отсутствия лаг-фазы, необходимой для накопления достаточного количества вновь синтезируемых ферментов.

Также, в других работах статистически достоверно было показано повсеместное проявление активности гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов в длительно-мерзлых осадочных породах различного возраста и генезиса. (Миньковская, 1995, Vorobyova et al., 2001). Отмечалось, что уровень активности в средних значениях был на порядок ниже, чем в современных почвах, среднеобогащенных ферментами. Активность инвертазы обнаруживалась в 95% исследованных образцов арктических осадков, амилаз - в 87%, каталаз - в 63%, дегидрогеназы - в 57%. Активность уреазы в мерзлых осадочных породах не выявлялась.

Было показано, что уровень ферментативной активности не зависит от возраста и генезиса осадков, однако, лишь инвертаза обнаруживалась практически во всех образцах, независимо от длительности воздействия отрицательных температур. Сохранение активности ферментов является результатом комбинации физико-химических свойств осадков, среди которых доминируют содержание органического вещества и гранулометрический состав.

Авторы также отмечали возрастание термостабильности ряда ферментов (инвертазы, амилазы, каталазы) из мерзлых осадков, особенно по сравнению с их термостабильностью в образцах тудровых почв. Авторы полагают, что это может объясняться показателем общей стабилизации этих ферментов в мерзлоте, а повышенная термостабильность инвертазы и каталазы - о внутриклеточных механизмах адаптации к низкотемпературному воздействию. Во многих случаях активность ферментов обнаруживалась в образцах, откуда не удавалось выделить культивируемые формы. В целом также отмечалось, что ферментативная активность была выше в суглинистых осадках по сравнению с песчаными.

Интересно, что практически во всех исследованных авторами образцах был отмечен довольно низкий уровень каталазы. Наиболее высокий уровень достигал 1,15 мл О2 на г в мин. Была выявлена слабая положительная связь каталазы с содержанием органического углерода и обменного кальция в некоторых осадках не выявлена положительная связь между активностью каталазы и числом культивируемых клеток. Что касается дегидрогеназы, ее активность коррелировала с вероятностью обнаружения микробных клеток в образцах, что соответствует известным представлениям о внутриклеточной природе дегидрогеназной активности.

Что касается антарктического поверхностного слоя и ниже лежащих осадков, их ферментативная активность остается мало исследованной. Отмечалось (Gilichinsky et al., 2007), что в 91 исследованном антарктическом образце выявлялась инвертазная активность, но слабая дегидрогеназная активность, а каталазная активность не обнаруживалась ни в одном из изученных образцов.

Таки образом, в настоящее время установлен факт сохранения в активном состоянии гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов в мерзлых осадочных породах различного возраста и генезиса и сформулирован тезис о возможности более длительного сохранения активных ферментов по сравнению с жизнеспособными клетками в условиях длительного воздействия криогенного фактора.

Наряду с ферментами в мерзлых осадках присутствуют также и другие биомаркеры - пигменты, в частности, хлорофилл, растворимые метаболиты, биогазы (Воробъёва и др., 2002). Наличие биомаркеров по мнению авторов свидетельствует о широком спектре потенциальной биохимической активности в мерзлых осадках и является основой быстрого восстановления функционирования экосистем при таянии мерзлоты.

1.4 Факторы, оказывающие влияние на сохранение жизнеспособности бактериальных клеток в условиях замораживания - оттаивания.

Антарктические почвы и вечномерзлые осадки представляет естественную среду обитания, где микроорганизмы реализуют уникальные возможности адаптации к продолжительному воздействию холода на живые организмы, которые могут быть универсальны для биологических систем. Микроорганизмы, сохранившие жизнеспособность в мерзлых подпочвенных осадках и адаптированные к воздействию низких температур, несомненно, испытывали в течение многих тысяч лет влияние физико-химических процессов, происходивших при промерзании и оттаивании мерзлых толщ: перенос жидкой влаги и ионов, пара и других газов.

В настоящее время выделяются три разновидности элементарных криогенных почвенных процессов:

криогенные процессы миграции и аккумуляции веществ криогенные процессы метаморфизации почв криотурбации.

Важную роль для биологической активности могут играть специфические для криогенных почв две группы процессов. В первую группу включаются процессы переноса подвижных фаз в ходе промерзания. Вторая группа охватывает процессы, вследствие которых изменяется степень подвижности компонентов почвы, что наиболее ярко проявляется при многократном циклическом промерзании и протаивании.

Важную роль в процессе промерзания почвы и подпочвенных слоев играет не только перенос жидкой влаги и ионов, но и пара и других газов. В закрытой системе перенос происходит за счет комплексного парожидкостного процесса, детально исследованного (Глобус, 1974).

В зоне фазовых превращений влаги наблюдается избирательное поглощение ионов растущим льдом. В результате взаимодействия процессов переноса в мерзлой и талой зонах, а также избирательного поглощения ионов льдом вблизи фронта льдовыделения при промерзании почв возникает сложная картина распределения подвижных фаз.

Основываясь на результатах экспериментов по одностороннему промерзанию засоленных пород, можно констатировать, что соли могут, как отжиматься от фронта промерзания, вызывая их криогенное концентрирование, так и переноситься к фронту промерзания, проникая далее в мерзлую часть породы, тем самым, повышая ее засоленность. Первый случай характерен для промерзания дисперсных пород (песков, легких супесей), в которых миграция влаги практически не происходит, льдообразование и фазовые переходы идут в основном с образованием льда-цемента. Растущие кристаллы льда при этом отжимают от фронта промерзания соли, которые, концентрируясь, могут создавать области переохлаждения перед фронтом кристаллизации и замедлять фазовые переходы. Этот случай достаточно хорошо освящен в ряде работ (, 1992). Таким образом, в засоленных тонкодисперсных породах при промерзании фиксируется увеличение содержания воднорастворенных солей в мерзлой зоне, причем максимальное соленакопление отмечается в верхней, наиболее холодной части. В условиях «закрытой» системы перераспределение влаги и льдонакопления в мерзлой зоне происходит за счёт внутреннего миграционного потока. Под действием температурного градиента, как в мерзлой, так и в талой части происходит перемещение воды в область более низких отрицательных температур. (Ершов, 1979). Возникает направленное движение молекул воды, которые несут с собой ионы солей, содержащихся в поровом растворе, и увеличивают, таким образом, как влажность и льдистость, так и засоленность мерзлой породы. Было установлено, что не только влагоперенос вызывает и определяет солеперенос в промерзающих породах, но и сама миграция ионов, наличие градиента их концентрации влияет на перенос пленок не замерзшей воды (Ершов, Лебеденко, 1992). В целом на особенности массопереноса и характер протекания физических и химических процессов существенное влияние оказывают дисперсность и химико-минеральный состав пород, их исходная засолённость и температурный режим.

С процессами переноса, связаны изменения газового режима, подвижность влаги и растворенных веществ, структурные преобразования почв и подпочвенных пород, которые могут происходить при промерзании и протаивании.

Периодическое повторение циклов промерзания и протаивания способствует выделению газов, содержащихся в почве и подпочвенных слоях в растворенном и сорбированном состоянии. Методом повторных взвешиваний установлено, что при промерзании и протаивании существенно возрастает летучесть органических веществ в почвах (Iskandar, Jenkins, 1986).

Перенос ионов в промерзающих породах, как уже отмечалось, осуществляется с помощью подвижных не замерзших пленок воды, располагающихся на поверхности кристаллов льда. Толщина таких пленок колеблется от нескольких ангстрем при температуре -20 С - 30 С до 60-80 А при температуре -2 С -5 С (Ostroumov, 1993, Ershov et al., 1979). В настоящее время интенсифицированы исследования по изучению типов жидкой фазы в мерзлоте, которые могут характеризовать специфику мерзлых пород как местообитания микрооганизмов.

Таким образом, микроорганизмы, которые подвергаются замораживанию в арктическ4их и антарктических почвах, и подпочвенных осадках, могут находиться в условиях повышенных концентраций солей, что может приводить к адаптивным перестройкам в клетках в сторону их высокой устойчивости к подобному стрессу и сохранению жизнеспособности.

Как известно, на активность микроорганизмов существенное влияние оказывает водный потенциал. Полный потенциал почвенной воды – это то количество работы, которую необходимо совершить для того, чтобы перевести единицу свободной чистой воды обратимо и изотермически из стандартного состояния в то состояние, в котором она находится в рассматриваемой точке почвы. То есть эта величина выражает способность воды в почве производить большую или меньшую работу по сравнению с чистой (без солей, осмотическое давление равно нолю) свободной (т. е. не подверженной влиянию адсорбционных и капиллярных сил) водой (Ковда, Розанов, 1988).