Микробные сообщества карстовых пещер Средней Сибири

Распределение пещерных изолятов по антибиотической активности имеет ярко выраженную двухвершинную форму (рис. 20). Относительная встречаемость сильных антагонистов в пещерах с низкой и умеренной степенью антропогенного загрязнения статистически достоверно (p < 0,05) выше, чем пещерах с высокой степенью антропогенного загрязнения (см. рис. 20). Это отмечено как для бактерий, так и для грибов. Данный феномен можно объяснить менее интенсивной конкуренцией за субстрат в антропогенно загрязнённых пещерах, что позволяет развиваться бактериям и грибам с низкой антибиотической активностью. В то же время в пещерах с низким уровнем антропогенного загрязнения в условиях жёсткого субстратного лимитирования преимущественно развиваются штаммы с высокой антагонистической активностью по отношению к потенциальным конкурентам.

Ряд выделенных штаммов показали высокую эффективность в борьбе с корневой гнилью в лабораторных экспериментах с искусственным заражением пшеницы грибами р. Bipolaris (см. рис. 20) и высокую конкурентоспособность в условиях низких температур начала вегетации, и в настоящее время проходят полевые испытания в качестве биофунгицидов на базе ОПХ Минино Красноярского НИИСХ.

Рисунок 1 - распределение пещерных изолятов по антибиотической активности; 2 - относительная встречаемость сильных антагонистов в пещерах с низким и высоким уровнем антропогенного загрязнения; 3 - влияние обработки пещерными изолятами (108, 31 и 85 - грибы; ВДР5, ВДР7 и ВДР10 - бактерии) на интенсивность развития корневой гнили (%) у проростков пшеницы.

Наряду с микроорганизмами, перспективными для использования в сельскохозяйственной биотехнологии, в пещерах региона нами обнаружены психротолерантные углеводородокисляющие бактерии, перспективные для использования в биоремедиации загрязненных нефтепродуктами почв в условиях низких температур.

Выводы

1. Микробные сообщества карстовых пещер Средней Сибири представлены способными к росту при температуре +4°С грибами и бактериями, численность и которых сопоставима с численностью микроорганизмов в наземных экосистемах, а в отдельных случаях и превосходит таковую.

2. В распределении микроорганизмов в пещерах и отдельных спелеосистемах наблюдается высокая гетерогенность, проявляющаяся в варьировании их численности на 2-3 порядка даже в пределах одного грота. Численность грибов в грунте пещер может достигать 10⁵-10⁶ КОЕ на 1 г. грунта. Численность культивируемых бактерий в грунте пещер варьирует от 10³ до 10⁷ КОЕ на 1 г., в подземных водоёмах - от 10² до 10⁵ КОЕ на 1 мл.

3. Грибы в пещерах Средней Сибири представлены р.р. Mucor, Penicillium, Chrysosporium, Pythium, Mortierella, Fusarium, Verticillium, Periconia, Thrihoderma, Paecilomyces, Thamnidium, Doratomyces, Echinobotryum, Cryptococcus, Rhodotorula.

4. В активно посещаемых пещерах ведущая роль в формировании комплексов грибов принадлежит антропогенному фактору, определённый вклад также вносит естественный занос почвы и растительных остатков в привходовые участки пещер. В не посещавшихся человеком пещерах и спелеосистемах грибы не обнаруживаются, за исключением привходовых участков.

5. Относительная встречаемость представителей разных родов микромицетов в карстовых полостях Средней Сибири не связана с принадлежностью пещеры к конкретному карстово-спелеологическому участку, а определяется спецификой конкретной полости. Представители р. Penicillium преобладают в пещерах с высоким уровнем заноса почвы и органического вещества из наземных экосистем, р. Mucor - в пещерах с высоким уровнем антропогенного, в том числе - фекального, загрязнения, р. Chrysosporium - в пещерах с относительно редким поступлением органического вещества с поверхности.

6. Среди способных к росту при +4°С бактерий во всех изученных пещерах обнаружены грамположительные и грамотрицательные бактерии основных эколого-трофических групп, встречающихся в водных и почвенных экосистемах. Среди обитающих в пещерах бактерий идентифицированы представители р.р. Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, Azotobacter, Actinomyces. Хемоавтотрофные бактерии, за исключением аллохтонных нитрификаторов в грунте пещер Караульная-2 и Ледяная (до 1,4 х 10⁴ КОЕ/г), не обнаружены.

7. Основными факторами, определяющими численность бактерий в пещерах, является уровень антропогенного органического загрязнения, а также наличие троглофилов и троглоксенов. Максимальная численность культивируемых бактерий (до 5,7х10⁷ КОЕ/г) наблюдается в районах подземных базовых лагерей спелеотуристов, в районах обитания летучих мышей (до 4х10⁶ КОЕ/г) и в пещерах-ловушках (до 1,7х10⁶ КОЕ/г).

8. Основную роль в биологическом самоочищении пещер Сибири играют грибы. Скорость биологического самоочищения пещер региона относительно низкая и для высокомолекулярных субстратов антропогенного происхождения составляет от 3% до 17% убыли массы в год в зависимости от вида субстрата, степени контакта субстрата с грунтом, влажности грунта и температуры в данном участке пещеры. Минимальная скорость деструкции наблюдается на границе зоны температурной депрессии.

9. В микробных сообществах сибирских пещер присутствуют формы с разной степенью адаптации к низкотемпературным условиям пещеры - мезофильные, психротолерантные и психрофильные. Психротолерантные и психрофильные формы выявлены среди представителей четырёх отделов микромицетов (Zygomycota, Ascomycota, Basidiomycota, Deuteromycota), а также среди представители всех встречающихся в пещерах эколого-трофических групп бактерий.

10. Предложена модель эволюционного формирования микробных сообществ карбонатных сухогалерейных пещер умеренной климатической зоны, объясняющая наблюдаемые распределения относительной встречаемости мезофильных, психротолерантных и психрофильных форм, а также классификация микробных сообществ пещер указанного типа.

11. Карстовые пещеры умеренной климатической зоны, находящиеся на сухогалерейной стадии развития, являются уникальным природным источником психрофильных и психротолерантных микроорганизмов, перспективных для использования в биотехнологии. В частности, данные микроорганизмы могут быть использованы в безопасных для теплокровных биофунгицидов, эффективных в условиях низких температур начала вегетационного периода, а также для биоремедиации загрязненных нефтепродуктами почв в условиях низких температур.

Практические рекомендации

Пещеры Средней Сибири следует рассматривать в качестве местообитания уникальных сообществ микроорганизмов, представляющих интерес как с научной, так и с практической точек зрения. В качестве первоочередной природоохранной меры для пещер региона необходим полный запрет на использование подземных лагерей в тактике прохождения пещеры любой категории сложности. Для пещер Женевская, Ящик Пандоры, Айдашинская, Баджейская, Большая Орешная необходимо ввести ограничения на посещение неорганизованными группами спелеотуристов. На базе пещер Маячная (Манский район Красноярского края) и Женевская (Емельяновский район Красноярского края) рекомендуется организация научных стационаров по аналогии с научным стационаром России научным стационаром на базе Кунгурской Ледяной пещеры (Пермская обл.). В рабочие программы по дисциплинам "Экология" и "Природопользование" в ВУЗах сибирского региона рекомендуется включить раздел, посвящённый экосистемам карстовых пещер.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Хижняк С.В. Микрофлора пещер окрестностей г. Красноярска / С.В. Хижняк, И.В. Таушева, И.Н. Маяцих // Вестник КрасГАУ. - 1999. - Вып. 5. - С.80-84.

2. Хижняк С.В. Санитарно-микробиологическая оценка источников питьевой воды в карстовых пещерах Красноярского края / С.В. Хижняк, А.А. Березикова, Е.В. Нестеренко, И.Д. Таушева, Е.В. Аникина // Проблемы экологии и развития городов: Материалы научно-практической конференции 5-6 июня 2000 года. - Красноярск, 2000. - С. 157.

3. Таушева И.В. Оценка санитарно-микробиологического состояния пещер окрестностей г. Красноярска / И.В. Таушева, А.А. Березикова, В.В. Меркулова, С.В. Хижняк // Агроэкология и устойчивое развитие регионов: Материалы II Всерос. науч. конф. студентов и молодых ученых. Ч.1. - Красноярск, 2000. - С. 25-26.

4. Березикова А.А. Гетеротрофные микроорганизмы пещер Красноярского края / А.А. Березикова, Е.В. Нестеренко, В.В. Меркулова, И.В. Таушева, Е.В. Аникина, С.В. Хижняк // Агроэкология и устойчивое развитие регионов: Материалы II Всерос. науч. конф. студентов и молодых ученых. Ч.2. - Красноярск, 2000. - С. 5-6

5. Хижняк С.В. Гетеротрофные микроорганизмы пещер Красноярского края / С.В. Хижняк, И.В. Таушева, А.А. Березикова, Е.В. Аникина, Е.В. Нестеренко // Научная страница РСС. - 2000. - №1(7). - С. 3-4.

6. Хижняк С.В. Санитарно-микробиологическое состояние пещер Красноярского края / С.В. Хижняк, И.В. Таушева, А.А. Березикова, Е.В. Аникина // Проблемы экологии Сибири: Сб. науч. трудов. - Красноярск, 2001. - С. 77-79.

7. Хижняк С.В. Численность и качественный состав микрофлоры карстовых пещер Красноярского края / С.В. Хижняк, И.В. Таушева, А.А. Березикова, Е.В. Нестеренко // Проблемы экологии Сибири: Сб. науч. трудов. - Красноярск, 2001. - С. 69-77.

8. Khizhnuak S.V. Ecological and biological peculiarities of microorganisms from underground karst cavities of the Middle Siberia / S.V. Khizhnuak, I.V. Tausheva, A.A. Berezikova, E.V. Nesterenko // Homeostasis of forest ecosystems: Proc. X International Symposium "Concept of Homeostasis: Theory, Experiments and Application". - Novosibirsk, 2001. - P. 161-165.

9. Trukhnitskaya S.M. Peculiarities of algomicrobe groupings in urban soils (study case of Krasnoyarsk city) / S.M. Trukhnitskaya, S.V. Khizhnuak // Homeostasis of forest ecosystems: Proc. X International Symposium "Concept of Homeostasis: Theory, Experiments and Application". - Novosibirsk, 2001. - P. 153 -157.

10. Березикова А.А. Пситхротолерантные микроорганизмы, перспективные для использования в рекультивации загрязненных нефтепродуктами почв / А.А. Березикова, С.В. Хижняк // Вестник КрасГАУ. - 2001. - Вып. 7 - С. 87-88.

11. Хижняк С.В. Влияние антропогенной нагрузки на экологическое состояние карстовых пещер пригородной зоны / С.В. Хижняк, А.А. Березикова, И.В. Таушева // Проблемы экологии и развития городов: Сборник статей по материалам 2-й Всероссийской научно-практической конференции. Том 1. - Красноярск, 2001. - С. 126-128.

12. Хижняк С.В. Летние учебно-оздоровительные лагеря для школьников как база для дополнительного эколого-биологического образования / С.В. Хижняк, С.М. Трухницкая // Проблемы экологии и развития городов: Сборник статей по материалам 2-й Всероссийской научно-практической конференции. Том 1. - Красноярск, 2001. - С. 106-109.

13. Хижняк С.В. Дополнительное эколого-биологическое образование в условиях летних учебно-оздоровительных лагерей / С.В. Хижняк, С.М. Трухницкая, В.Н. Плотников, А.А. Безверхий, А.А. Березикова, И.В. Таушева // Тез. докл. Всероссийской школы-семинара "Региональные особенности организации научной деятельности молодежи в современных условиях". - Красноярск, 2001. - С. 168-171.

14. Хижняк С.В. Биологическое разнообразие микроскопических грибов в некоторых пещерах Красноярского края / С.В. Хижняк // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. Вып. 3. - Красноярск, 2001. - С. 184-188.

15. Хижняк С.В. Влияние температуры на рост некоторых штаммов одноклеточных грибов, выделенных из пещеры Караульная-2 / С.В. Хижняк // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. Вып. 3. - Красноярск, 2001. - 189-192.

16. Трухницкая С.М. Особенности качественного состава альгомикробных комплексов городских почв / С.М. Трухницкая, С.В. Хижняк // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. Вып. 3. - Красноярск, 2001. - С. 123-125.

17. Хижняк С.В. Естественная микрофлора пещер Красноярского края / С.В. Хижняк, И.В. Таушева, А.А. Березикова, Ю.Д. Рогозин, Е.В. Нестеренко // Проблемы экологии и охраны пещер: Материалы 1-й Общероссийской научно-практической конференции "Проблемы экологии и охраны пещер: теоретические и прикладные аспекты": Сб. науч. тр. - Красноярск, 2002. - С.48-56.

18. Хижняк С.В. Санитарно-микробиологическое состояние пещер Красноярского края / С.В. Хижняк, И.В. Таушева, А.А. Березикова, Е.В. Аникина // Проблемы экологии и охраны пещер: Материалы 1-й Общероссийской научно-практической конференции "Проблемы экологии и охраны пещер: теоретические и прикладные аспекты": Сб. науч. тр. - Красноярск, 2002. - С. 101-103.

19. Хижняк С.В. Подходы к охране пещер в Великобритании (по материалам обзора "Managing Caves for nature Conservation) / С.В. Хижняк // Проблемы экологии и охраны пещер: Материалы 1-й Общероссийской научно-практической конференции "Проблемы экологии и охраны пещер: теоретические и прикладные аспекты": Сб. науч. тр. - Красноярск, 2002. - С. 169-172.

20. Хижняк С.В. Некоторые биологические особенности бактерий, выделенных в пещерах Красноярского края / С.В. Хижняк, А.А. Березикова, И.В. Таушева // Вестник КрасГАУ. - 2002. - Вып. 8. - С. 132-135.

21. Хижняк С.В. Реализация программы дополнительного экологического образования в условиях детских поисково-исследовательских лагерей / С.В. Хижняк, С.М. Трухницкая, А.А. Безверхий // Экологическое образование для сохранения биоразнообразия: Тезисы докладов всероссийской научно-методической конференции. - Барнаул, 2003. - С. 78-80.

22. Хижняк С.В. Психрофильные и психротолерантные гетеротрофные микрорганизмы карстовых полостей Средней Сибири / С.В. Хижняк, И.В. Таушева, А.А. Березикова, Е.В. Нестеренко, Д.Ю. Рогозин // Экология. - 2003. - № 4. - С.261-266.

23. Khizhnuak S. Supposed contribution of cave microorganisms to a karstic process in the limestone caves of Easten Siberia / S. Khizhnuak, I. Tausheva, A. Berezikova // Contributions to the IGCP448 meeting in Bowling Green, Ky, USA, June3-6 2003, Part III-1 World comparison of karst ecosystem. - Bowling Green, 2003. - P. 99.

24. Трухницкая С.М. Биологическое разнообразие почвенных водорослей в пещере Ледяная / С.М. Трухницкая, С.В. Хижняк // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. Вып. 5. - Красноярск, 2003. - С. 205-207.

25. Хижняк С.В. Биологическое разнообразие беспозвоночных карстовых полостей Красноярского края / С.В. Хижняк, Ю.Е. Гладкова // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. Вып. 6. - Красноярск, 2004. - С. 85-88.

26. Березикова, А.А. Психротрофные микроорганизмы дерново-карбонатных выщелоченных почв / А.А. Березикова, Е.П. Ланкина, С.В. Хижняк // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы Всероссийской научно-практической конференции / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2005. - С. 55-57.

27. Khizhnyak S.V. The microbial communities of Middle Siberian cold caves / S.V. Khizhnyak, E.V. Nesterenko, A.A. Berezikova, I.V. Trusey // 3-rd International Workshop on Ice Caves: Volume of Abstracts. Kungur Ice Cave, Perm Region Russia, May 12-17, 2008. - Kungur, 2008. - P. 56-57.

28. Enzhu Hu. Testing fungistatic properties of soil-like substrate for growing plants in bioregenerative life support systems / Hu Enzhu, Elena Nesterenko, Hong Liu, N.S. Manukovsky, Vladimir Kovalev, Yu. Gurevich, Vladimir Kozlov, Sergey Khizhnyak, Yidong Xing // 37th COSPAR Scientific Assembly 13-20 July 2008, Montrйal, Canada. - Montrйal, 2008. - P.813.

29. Ланкина Е. П. Встречаемость бактерий-антагонистов возбудителей корневых гнилей зерновых в различных почвах / Е. П. Ланкина, С.В. Хижняк // Агроэкологическая роль плодородия почв и современные агротехнологии: Материалы междунар. Научно-практической конференции. - Уфа, 2008. - С. 86-88.

30. Хижняк С.В. Микробиологический состав и фитосанитарные свойства почвоподобных субстратов / С.В. Хижняк, В.А. Козлов, Е.П. Ланкина // Агроэкологическая роль плодородия почв и современные агротехнологии. Материалы междунар. Научно-практической конференции. - Уфа, 2008. - С. 196-198.

31. Воробьёва С.В. Численность различных физиологических групп гетеротрофного бактериопланктона р. Енисей в зимний период / С.В. Воробьёва, С.В. Хижняк // Молодые учёные - науке Сибири: Сборники трудов молодых учёных. Вып. 3. Часть 1. - Красноярск, 2008. - С. 46-48.

32. Lankina E.P. Possible reason of soil-like substance antifungal activity in the BIOS closed ecosystem / E.P. Lankina, B.A. Koslov, Zh.N. Shmeleva, S.V. Khizhnyak // Сборник молодых ученых КрасГАУ «Молодые ученые - науке Сибири». - Красноярск, 2008. - С. 137-140.

33. Хижняк С.В. Микробиологическая характеристика пещеры Маячная / С.В. Хижняк, Е.П. Ланкина // Пещеры: охрана, история исследований, культура, туризм, современное состояние и перспективы научных исследований в пещерах на территории бывшего СССР: Материалы научно-практической конференции. Сб. науч. тр. - Красноярск, 2009. - С. 221-225.

34. Хижняк С.В. Некоторые итоги изучения микробных сообществ карстовых пещер Средней Сибири (по Khizhnyak S.V. et al, с дополнениями) / С.В. Хижняк, Е. В. Нестеренко, А. А. Кимм, И. В. Трусей // Пещеры: охрана, история исследований, культура, туризм, современное состояние и перспективы научных исследований в пещерах на территории бывшего СССР: Материалы научно-практической конференции. Сб. науч. тр. - Красноярск, 2009. - С. 226-227.

35. Хижняк С.В. Перспективы использования микроорганизмов карстовых пещер в сельскохозяйственной биотехнологии / С. В. Хижняк, Е. П. Ланкина, И. Р. Илиенц, Е.В. Нестеренко // Пещеры: охрана, история исследований, культура, туризм, современное состояние и перспективы научных исследований в пещерах на территории бывшего СССР: Материалы научно-практической конференции. Сб. науч. тр. - Красноярск, 2009. - С. 228-229.

36. Хижняк С.В. Перспективы использования психрофильных и психротолерантных микроорганизмов в защите зерновых от обыкновенной корневой гнили / С.В. Хижняк, И.Р. Илиенц, Е.П. Ланкина // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития: мат-лы Всероссийской очно-заочной научно-практической и научно-методической конференции с международным участием. - Красноярск, 2009. - С. 222-225.

37. Хижняк, С.В. Оценка эффективности психрофильных пещерных микроорганизмов в биологической борьбе с обыкновенной корневой гнилью зерновых / С.В. Хижняк, Е.П. Ланкина, И.Р. Илиенц // Вестник КрасГАУ. - 2009. - Вып. 6. - с. 49-53.

38. Хижняк, С.В. Связь между уровнем антропогенной нагрузки и антибиотической активностью пещерной микробиоты / С.В. Хижняк, И.Р. Илиенц, Е.П. Ланкина // Вестник КрасГАУ. - 2009. - Вып. 6. - с. 57-60.

39. Ланкина, Е.П. Перспективы использования пещеры Маячная в качестве источника психрофильных и психротолерантных бактерий / Е.П. Ланкина, С.В. Хижняк, А.А. Кимм // Вестник КрасГАУ. - 2009. - Вып. 6. - с. 61-65.

40. Nesterenko, E.V. Testing anti-fungal activity of soil-like substrate for growing plants in bioregenerative life support systems / E.V. Nesterenko, V.A. Kozlov, S.V. Khizhnyak, N.S. Manukovsky, V.S. Kovalev, Yu.L. Gurevich, Hong Liu, Yidong Xing, Enzhu Hu // Advances in Space Research - 2009 (available online June 2009), doi:10.1016/j.asr.2009.06.014.

Размещено на Allbest.ru