Анаеробні бактерії в житті екосистеми Чорного моря
Чорноморський сірководень
Якщо
запитати у біолога, геолога або географа, що він знає про глибини Чорного моря, то відповідь буде однозначною: Чорне море - величезний резервуар сірководню.
Можна почути також про фантастичні проекти промислового отримання сірки і сірчаної кислоти з одночасним очищенням чорноморських глибин.
Чорне море - це найбільший на нашій планеті мероміктіческій водойму, водна товща якого глибше 130-150 м заповнена безкисневі водами,
містять отруйний сірководень.
Сьогодні увага до проблеми походження чорноморського сірководню безпосередньо пов'язане з припущеннями про можливе підвищення рівня сірководневої
зони в центральній частині моря, а також з встановленим фактом великого зараження сірководнем придонних вод північно-західного шельфу в літній період.
Дефіцит кисню в цьому найбільш продуктивному районі Чорного моря призвів до масової загибелі бентосних мікроскопічних тварин! У чому причина підвищення
рівня сірководневих вод? Які заходи можливо прийняти для запобігання загибелі екосистеми Чорного моря?
сірководневу зону в Чорному морі відкрив Н.І. Андрусов в 1890 р. Проблема походження цієї зони стала предметом наукових дискусій. Дуже скоро думки
вчених звелися до двох головних гіпотез. Прихильники гіпотези міграційного походження сірководню вважають, що основна його частина надходить в море в
готовому вигляді з порід дна по тектонічних розломів. Аргументом на користь «геологічної» гіпотези можуть служити містять сірководень підземні води, знайдені
на східному узбережжі Чорного моря (район курорту Мацеста) у вапняках юрського віку. Природно, що «геологічна» гіпотеза не розглядає
вплив антропогенного фактору на освіту сірководню в морі.
Інша гіпотеза, яка сьогодні знаходить все більше прихильників, може бути названа «біогенної». Наприкінці минулого століття Н.Д. Зелінський припустив, що
чорноморський сірководень утворюється в результаті діяльності специфічних бактерій, окисляючих органічна речовина киснем з сульфатів, які
відновлюються при цьому до сірководню. Органічна речовина, що утворюється при фотосинтезі в поверхневих водах, постійно осідає, а сульфати
поповнюються головним чином за рахунок придонного припливу солоних вод через протоку Босфор з Мармурового моря. Погіршення екологічної обстановки в чорноморському
регіоні «біогенна» гіпотеза пов'язує з додатковим надходженням у складі побутових і річкових стоків органічної речовини та мінеральних солей
антропогенної природи. Це активізує всі біогеохімічні процеси, і в тому числі процес бактеріальної сульфатредукціі з утворенням сірководню у воді
і опадах.
Починаючи з 1980 р. співробітники лабораторії мікробної біогеохімії Інституту мікробіології РАН проводили комплексні дослідження водної товщі і донних
опадів Чорного моря. Однією з основних завдань була кількісна оцінка ролі мікробіологічних процесів в освіті чорноморського сірководню.
Результати багатьох експедицій незаперечно свідчили на користь його біогенного походження. Було доведено, що чорноморський сірководень
утворюється головним чином за рахунок діяльності анаеробних сульфатредуцірующіх бактерій, що мешкають як у водній товщі, так і в донних опадів. При цьому
більша частина сірководню утворюється безпосередньо в водної товщі, а не мігрує з опадів.
Дослідження сильно забруднених опадів у районі виносів річок Дунаю і Дністра підтвердили, що причиною сірководневого зараження водної товщі цих
районів стала активізація бактеріальної сульфатредукціі, а також дозволили досить точно датувати початок негативних процесів. Поява
сірководневих заморні зон збіглося у часі з різким підйомом промисловості та сільського господарства причорноморських країн.
При подальшому забруднення Чорного моря мікробне освіта сірководню посилюватиметься. Це може привести до великої екологічної катастрофи.
Ситуація така, що не можна недоучітивать можливість скорочення аеробної зони моря і навіть прориву сірководню в атмосферу.
Підвищення рівня чорноморського сірководню залишило в тіні не менш важливу проблему анаеробного бактеріального освіти інших газів, і перш за все
метану.
Що таке чорноморський метан?
Сучасний
метан утворюється в результаті життєдіяльності унікальної групи мікроорганізмів - метанобразующие архей, можливо, найбільш древньою
групи організмів на нашій планеті. Метан - кінцевий продукт мікробного розкладу органічної речовини в анаеробних умовах.
Результати останніх експедицій в сильно забруднені пріустьевие райони річок Дунаю і Дністра показали, що «перенасичення» поверхневих вод метаном в цьому
регіоні досягає сотень і тисяч разів. Отже, метан, який надходить з нижніх шарів моря, не встигає у водній товщі окислитися аеробними
мікроорганізмами, що харчуються метаном, і надходить в атмосферу, підвищуючи тим самим концентрацію парникових газів. А це загрожує потеплінням на планеті,
можливим таненням льодовиків з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками.
Однак проблема чорноморського метану не обмежується виключно процесами сучасного мікробного метанобразованія.
У квітні 1989 р. в Кримському районі Чорного моря співробітники Інституту біології
південних морів АН УРСР виявили бульбашки газів, що піднімаються до поверхні моря зі швидкістю 12-14 м/хв.
Спеціальні експедиції виявили численні поля підводних газовиділень в різних ділянках північно-західній частині Чорного моря на
глибинах 60-650 м, а також біля берегів Болгарії, Керченського півострова та Кавказького узбережжя. Головним компонентом що виділяються з дна газів був
метан (до 80%). Масштаби чорноморських газовиділень виявилися настільки великі, що стало реальним пояснення причин вогняних спалахів під час відомого кримського
землетрусу 1928 Землетрус могло призвести до великомасштабного викиду великих обсягів метану в приводні шари атмосфери, а як відомо, метан
запалюється легше сірководню.
Слід зазначити, що локальні виходи метану з донних відкладень (сипи) виявлені в багатьох точках Світового океану, і сьогодні можна стверджувати, що
це явище носить глобальний характер.
Детальні біогеохімічні дослідження метанових сипів в Чорному морі були виконані на підводному човні-лабораторії «Бентос» у грудні 1990 р. У районі
інтенсивного газовиділення і високого вмісту розчиненого метану на глибинах, де кисень повністю відсутній, були знайдені карбонатні
споруди різних типів: горбисті плити округлої форми діаметром 0,5-1,5 м, плити з одним або декількома коралоподібні наростами і плити з башнеобразнимі
або деревовидними будівлями заввишки 30-100 см. коралоподібні споруди зовні були покриті потужними (до 2-3 см) слизовими бактеріальними обростаннями. При
руйнуванні будівель з внутрішніх порожнин і каналів виділялися струменя бульбашок газів. Як виявилося, споруди на 99,6% складалися з СаСО3
(арагоніта).
Пора розповісти про один з найважливіших методів мікробної біогеохімії. Метод заснований на властивості бактерій вибирати з природного субстрату, що складається з
суміші стабільних ізотопів вуглецю (12С та 13С), легший ізотоп (12С). Відповідно, мікробна біомаса і продукти
життєдіяльності бактерій виявляються збагаченими легким ізотопом (12С).
Дослідження показали, що органічна речовина обростань характеризується максимально легким ізотопним складом вуглецю, що свідчить про його
біогенному походження.
Отримані дані дозволили припустити, що утворення карбонатних споруд в значній мірі обумовлено активністю бактерій, окисляючих
метан.
Проте
залишалася неясним, скільки різних і яких саме анаеробних мікроорганізмів утворює коралоподібні арагонітовие споруди в місцях виходу газу. Оскільки
коралоподібні споруди були виявлені виключно в анаеробної зоні, постало питання про механізм окиснення метану в умовах повної відсутності кисню.
Справа в тому, що мікробіологам добре відома група аеробних метанокісляющіх (метанотрофних) бактерій, проте до сьогоднішнього дня не відомі
мікроорганізми, здатні до анаеробного окислювання і споживання метану. Процес анаеробного споживання метану реєструвався багатьма дослідниками, однак
спроби виділити культури мікроорганізмів, які вміють це здійснювати, були безуспішними.
У 1993-1994 рр.. у сорок четвертому і сорок п'ятому рейсах науково-дослідного судна «Професор Водяницький» були підняті з
анаеробних зон коралоподібні споруди. Зовні вони виявилися вкритими товстим (до 2-3 см) драглистоподібного шаром бактеріальних обростань (матів)
рожево-коричневого кольору.
У бактеріальних матах поряд з анаеробним окисленням метану були зареєстровані процеси бактеріальної сульфатредукціі і метаногенеза. Дані
мікробіологічних, спектральних, ензиматичних та електронно-мікроскопічних досліджень підтвердили домінування у складі бактеріальних матів анаеробних
мікроорганізмів. Є підстави припускати, що основу бактеріального мата складають метанобразующие архебактерію роду Methanotrix.
Які ж можливі механізми анаеробного окислення метану? Припущення, що сульфати можуть служити кінцевими акцепторами електронів в процесі
окислення метану, не підтвердилося.
Можливе пояснення було підказане роботами Зендер та Брока, які показали, що чисті культури метаногенов можуть частина метану анаеробно окисляти до СО2
в реакції, зворотного утворення метану:
CH4 +2 H2O ® CO2 4 H2.
Принципово використання води в якості кінцевого акцептора електронів при окисленні метану термодинамічно можливо при вкрай низьких концентраціях
Н2 і СО2 або при високих концентраціях метану. Оскільки до цих пір бактеріальні мати виявлялися виключно на арагонітових
будівлях в зонах виходу газових струменів, високі концентрації метану в середовищі можуть бути обов'язковою умовою розвитку матів.
Таким чином, видається найбільш імовірним, що в досліджених бактеріальних матах анаеробне окислення метану відбувається за механізмом,
зворотного відновлення СО2, а що утворюється водень швидко використовується як на освіту метану метанобразующие бактеріями, так і на
відновлення сульфатів сульфатредуцірующімі бактеріями.
Отже, в анаеробних умовах виникло і активно функціонує співтовариство мікроорганізмів, що використовують унікальну природну зону. Масштаби явища
такі, що можна говорити про існування «анаеробного метанового фільтру», представленого бактеріальними матами на коралоподібних будівлях. Також можна
сміливо стверджувати, що бактеріальне співтовариство коралоподібних будівель - нова ланка в екосистемі анаеробної зони Чорного моря.
Автори М.В. Іванов, Н.В.
Пименов, І.І. Русанов, А.С. Савович, Інститут мікробіології РАН; А.Ю. Леїн,
Інститут геохімії та аналітичної хімії ім. В.І. Вернадського РАН
