Ключевые слова
микробные сообщества, микробные процессы, морская микробиология, водная микробиология, микробиология арктических водоемов, цикл метана, цикл серы, цикл железа, продукция бактерий в водоемах, бактериопланктон, микробная петля

Направления исследований

• Количественная оценка геохимической деятельности микроорганизмов круговорота углерода и серы в морских и пресных водоемах
• Фракционирование стабильных изотопов углерода и серы при процессах микробного метаболизма
• Количественная оценка микробной активности процессов цикла метана в водоемах разного типа
• Микробиологические и биогеохимические исследования морей Российской Арктики

Основные методы исследований

Методы фундаментальных исследований:

• Определение общей численности микроорганизмов, размеров клеток и особенностей морфологии клеток бактериопланктона в водной толще морских и пресноводных водоемов микроскопическими методами (в первую очередь. люминисцентная микроскопия).
• Использование  электронной (просвечивающей и сканирующей) микроскопии для идентификации и описания аноксигенных фототрофных бактерий
• Получение накопительных и чистых культур аноксигенных фототрофных бактерий из меромиктических водоемов разного типа. Поддержание чистых культур, описание и интерпретация морфофизиологических характеристик выделенных штаммов, требующихся как для публикации в научных журналах, так и для прикладных работ.
• Оценка геохимической активности микроорганизмов  на основании определения изотопного состава углерода метана, органического вещества в составе водной взвеси и донных отложений, а также углерода растворимых карбонатов водной толщи и поровой воды осадков исследуемых водоемов
• Измерение скоростей процессов микробной сульфатредукции, образования и окисления метана, а также темновой и световой ассимиляции углекислоты радиоизотопным методом.

Краткая история лаборатории
Лаборатория микробиологии и биогеохимии водоемов была создана в 1986 году академиком РАН М.В.Ивановым. Работы, проводимые этой лабораторией в конце девяностых годов, продолжили цикл морских исследований, начатых под руководством М.В.Иванова с начала семидесятых годов в Институте физиологии и биохимии микроорганизмов РАН, а с 1986 года в Институте микробиологии РАН им. С.Н.Виноградского. С 2013 г. лабораторией руководит д.б.н. Саввичев А.С.

Основная задача — изучение распространения и количественная оценка геохимической активности специализированных физиологических групп микроорганизмов на разных уровнях – от экосистемного до глобального. Для решения этой задачи в лаборатории разработана комплексная методология, основанная на использовании широкого спектра микробиологических, гидрохимических, радиоизотопных, геохимических, газохроматрогафических, изотопно-геохимическихтак и молекулярно-биологических методов. Основными природными объектами являются стратифицированнные морские и континентальные водоемы, в первую очередь Черное, Балтийское и Каспийское моря, меромиктические пресные и солоноватые озера; морские экосистемы в местах выхода высокотемпературных флюидов (рифтовые зоны) Тихого и Атлантического океанов; холодные метановые сипы, грязевые вулканы и покмарки. Особое внимание уделяется исследованию водной толщи и донных осадков морей Арктического региона.

Наряду с полевыми исследования в лаборатории проводится изучение особенностей фракционирования изотопов углерода и серы различными группами фотоавтотрофных и хемолитотрофных микроорганизмов.

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Главным объектом исследования лаборатории с момента ее основания были геохимически значимые микробные процессы циклов углерода, в том числе метана, и серы в водной толще и донных осадках как морских, так и пресноводных водоемов. В основе методологии лаборатории заложены ряд положений, сформулированных академиком М.В. Ивановым и являющихся продолжением и развитием отечественной геохимической микробиологии С.И. Кузнецова. В основе методологии лежит комплекс методов: химико-аналитический, микробиологический, радиоизотопный и стабильноизотопный, применяемый для исследования микробной активности в водоемах. Принципиальным моментом методологии является комплексность полевых и лабораторных исследований, что подразумевает проведение значительной части исследований непосредственно в условиях морского экспедиционного рейса. Все радиоизотопные экспозиции должны проводиться на абсолютно свежем материале в условиях, максимально соответствующих естественным местам обитания.

На этапе развития лаборатории сотрудники приняли участие в масштабных экспедициях института океанологии им. П.П. Ширшова на НИС «Дмитрий Менделеев», Академик Вавилов», Академик Иоффе», «Академик Мстислав Келдыш» в Атлантический, Тихий и Индийский океаны. Были получены приоритетные данные по активности микробных процессов цикла углерода и серы в водной толще и донных осадках различных точках Мирового океана. Были получены приоритетные данные о скорости микробного окисления метана в водной толще морей и океанов, включая места масштабного выделения этого газа с поверхности донных отложений (Охотское море и др.). Было экспериментально доказано, что метан потребляется в водной толще морских водоемов исключительно за счет деятельности метанотрофных микроорганизмов. Сотрудники лаборатории приняли участие в главных морских экспедициях на гидротермальные поля Атлантического и Тихого океанов. Проведены исследования и опубликованы работы относительно роли бактерий в симбиотрофных ассоциациях с бентосными животными – двустворчатыми моллюсками и погонофорами. Помимо работ на гидротермах, были проведены работы на грязевом вулкане Хаакон Мосби (Норвежское море), характерного высоким потоком метана, наличием газогидратов и аутигенных карбонатов.

Проведены исследования процессов цикла метана в Черном море. На основании анализа многолетних данных, полученных в морских экспедициях, показано, что во всей анаэробной зоне Черного моря, начиная с горизонта появления сероводорода, происходит резкое увеличение содержания метана до дна. В глубоководной зоне нижней части склона и котловины наблюдается близкое к линейному увеличение концентрации метана до горизонта 600-800 метров, глубже содержание CH4 заметно падает и до дна существенно не меняется, иногда имея придонные максимумы. При этом, абсолютные значения концентрации метана, на одних и тех же горизонтах, заметно отличаются по акватории. Показано, что основная часть метана водной толщи образуется микроорганизмами непосредственно в анаэробных водах и составляет величину порядка 630 х 109 М в год. Установлено, что в анаэробной водной толще величина микробного потребления метана (773 х 109 М в год) существенно превышает его продукцию метаногенами. Интенсивность анаэробного потребления метана, в среднем, на 2-3 порядка выше аэробного метанокисления. Предполагается, что дисбаланс микробных процессов цикла метана (порядка 143 х 109 М в год) покрывается дополнительными источниками метана из многочисленных метановых сипов и грязевых вулканов. Высокое содержание метана в анаэробных водах не влияет на его распределение в кислородсодержащих горизонтах, поскольку аэробные и анаэробные воды Черного моря разделены зоной выраженного концентрационного минимума метана. Нижняя граница этого минимума привязана к величине условной плотности 15,7-15,8 единиц. Таким образом, основная часть метана глубоководной зоны, образовавшегося de novo и поступающего дополнительно, потребляется аэробными бактериями в зоне хемоклина и метанотрофными археями в анаэробных водах. Составлен баланс процессов образования и окисления метана в анаэробной зоне Черного моря. Общее количество метана в воде составляет 45.2 х 1011 молей или 72,3 млн тонн метана. Современный метаногенез в водной толще оценивается величиной 6.3 х 1011 молей в год. В то же время суммарная годовая величина анаэробного окисления метана в воде превышает его продукцию на 1.5 х 1011 моля. Дефицит метана покрывается в основном за счет выделения из холодных метановых сипов континентального склона. Продукция биогенного метана в верхнем слое осадков значительно ниже и составляет 27.7 х 107 молей в год. Основная часть этого метана участвует в образовании кристаллогидратов в глубоководных донных осадках, где имеются благоприятные термо-барические условия.

На основании литературных и собственных экспериментальных данных установлено, что экосистема Каспия возвращается к состоянию первых тридцати лет 20-го века, когда сероводород в глубоководных котловинах обнаруживался постоянно. Изучение гидрохимических особенностей Каспийского моря началось в первой трети 20-го века при высоком уровне моря. В придонных водах двух впадин было обнаружено присутствие сероводорода. С 1929 года началось падение уровня моря, что привело к исчезновению сероводорода. С 1978 года начинается подъем уровня Каспийского моря. В 2012 году было показано, что в нижней водной толще Дербентской и Южной котловин присутствовал сероводород. Исследования показали, что сероводород имеет микробное происхождение, что указывает на существенные изменения в современном состоянии Каспийского моря.

При изучении аэробных донных осадков Белого и Карского морей сотрудниками лаборатории был обнаружен эффект заметного утяжеления изотопного состава углерода органического вещества взвеси и было доказано, что этот эффект связан с повышенной активностью темновой ассимиляции СО2, зависящей от развития хемоавтотрофных микроорганизмов, окисляющих H2S, NH3 и другие восстановленные соединения, поступающие в придонную воду из донных осадков. В отличие от ранее изученных морей, Чукотское море характеризуется более высокой первичной продукцией органического вещества и, как следствие, более высоким содержанием (>2%) органического углерода в самых верхних горизонтах осадков. Поэтому в этих осадках развиваются не только хемоавтотрофные, но и анаэробные сульфатредукторы, активно потребляющие изотопно-тяжелое органическое вещество, синтезируемое хемоавтотрофами. Поэтому в осадках с преобладающей активностью сульфатредукции изотопный состав остаточного (не потребленного) органического углерода не утяжеляется, а наоборот становится изотопно более легким.

Проведено исследование сообщества аноксигенных фототрофных бактерий водной толщи стратифицированного озера Кисло-Сладкое, недавно отделившегося от моря (Кандалакшский залив Белого моря). Из проб воды озера было выделено 9 штаммов аноксигенных фототрофных бактерий. По результатам анализа гена 16S рРНК выделенные АФБ являются представителями четырех известных родов (Clorobium, Thiocapsa, Thiorhodococcus, Rhodovulum). Практически все выделенные штаммы оказались отличными от ранее известных видов. Среди выделенных видов присутствовали морские коричнево-окрашенные зеленые серные бактерии Ch. phaeovibrioides, пурпурные серные бактерии Thiorhodococcus sp., и пурпурные несерные бактерии Rhodovulum sulfidophilum. Получены количественные характеристики первичной продукции аноксигенных фототрофных бактерий.

Работы лаборатории выполнялись в рамках различных международных программ, грантов РФФИ и программ Президиума РАН “Происхождение жизни и эволюция гео-биологических систем”, “Молекулярная и клеточная биология”, “Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы“.

С 2004 года лаборатория является участником крупного российско-американского проекта Russian-American Long-term Census of the Arctic (RUSALCA) http://www.arctic.noaa.gov/aro/russian-american. В рамках проекта сотрудники лаборатории приняли участие в трех морских экспедициях в Чукотское и Восточно-Сибирское моря. Дана оценка численности бактериопланктона, величине бактериальной продукции, величине изотопного состава углерода органической взвеси и органической составляющей донных осадков. Показана ведущая роль микробной деятельности в поверхностном слое осадков в трансформации органического вещества.

СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ

УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

1. Определение изотопного состава углерода органического вещества, углерода метана и минерального углерода карбонатов на масс спектрометре Thermo Fisher Delta Plus (Германия)