Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анаэробные бактерии в жизни экосистемы Черного моря

меромиктический черный море метан

Черноморский сероводород

Если спросить у биолога, геолога или географа, что он знает о глубинах Черного моря, то ответ будет однозначным: Черное море - огромный резервуар сероводорода. Можно услышать также о фантастических проектах промышленного получения серы и серной кислоты с одновременной очисткой черноморских глубин.

Черное море - это самый крупный на нашей планете меромиктический водоем, водная толща которого глубже 130-150 м заполнена бескислородными водами, содержащими ядовитый сероводород.

Сегодня внимание к проблеме происхождения черноморского сероводорода напрямую связано с предположениями о возможном повышении уровня сероводородной зоны в центральной части моря, а также с установленным фактом обширного заражения сероводородом придонных вод северо-западного шельфа в летний период. Дефицит кислорода в этом наиболее продуктивном районе Черного моря привел к массовой гибели бентосных микроскопических животных! В чем причина повышения уровня сероводородных вод? Какие меры возможно принять для предотвращения гибели экосистемы Черного моря?

Сероводородную зону в Черном море открыл Н.И. Андрусов в 1890 г. Проблема происхождения этой зоны стала предметом научных дискуссий. Очень скоро мнения ученых свелись к двум главным гипотезам. Сторонники гипотезы миграционного происхождения сероводорода полагают, что основная его часть поступает в море в готовом виде из пород дна по тектоническим разломам. Аргументом в пользу «геологической» гипотезы могут служить содержащие сероводород подземные воды, найденные на восточном побережье Черного моря (район курорта Мацесты) в известняках юрского возраста. Естественно, что «геологическая» гипотеза не рассматривает влияние антропогенного фактора на образование сероводорода в море.

Другая гипотеза, которая сегодня находит все больше сторонников, может быть названа «биогенной». В конце прошлого века Н.Д. Зелинский предположил, что черноморский сероводород образуется в результате деятельности специфических бактерий, окисляющих органическое вещество кислородом из сульфатов, которые восстанавливаются при этом до сероводорода. Органическое вещество, образующееся при фотосинтезе в поверхностных водах, постоянно осаждается, а сульфаты пополняются главным образом за счет придонного притока соленых вод через пролив Босфор из Мраморного моря. Ухудшение экологической обстановки в черноморском регионе «биогенная» гипотеза связывает с дополнительным поступлением в составе бытовых и речных стоков органического вещества и минеральных солей антропогенной природы. Это активизирует все биогеохимические процессы, и в том числе процесс бактериальной сульфатредукции с образованием сероводорода в воде и осадках.

Начиная с 1980 г. сотрудники лаборатории микробной биогеохимии Института микробиологии РАН проводили комплексные исследования водной толщи и донных осадков Черного моря. Одной из основных задач была количественная оценка роли микробиологических процессов в образовании черноморского сероводорода.

Результаты многих экспедиций неоспоримо свидетельствовали в пользу его биогенного происхождения. Было доказано, что черноморский сероводород образуется главным образом за счет деятельности анаэробных сульфатредуцирующих бактерий, обитающих как в водной толще, так и в донных осадках. При этом большая часть сероводорода образуется непосредственно в водной толще, а не мигрирует из осадков.

Исследования сильно загрязненных осадков в районе выносов рек Дуная и Днестра подтвердили, что причиной сероводородного заражения водной толщи этих районов стала активизация бактериальной сульфатредукции, а также позволили достаточно точно датировать начало негативных процессов. Появление сероводородных заморных зон совпало по времени с резким подъемом промышленности и сельского хозяйства причерноморских стран.

При дальнейшем загрязнении Черного моря микробное образование сероводорода будет усиливаться. Это может привести к крупной экологической катастрофе. Ситуация такова, что нельзя недоучитывать возможность сокращения аэробной зоны моря и даже прорыва сероводорода в атмосферу.

Повышение уровня черноморского сероводорода оставило в тени не менее важную проблему анаэробного бактериального образования других газов, и прежде всего метана.

Что такое черноморский метан?

Современный метан образуется в результате жизнедеятельности уникальной группы микроорганизмов - метанобразующих архебактерий, возможно, наиболее древней группы организмов на нашей планете. Метан - конечный продукт микробного разложения органического вещества в анаэробных условиях.

Результаты последних экспедиций в сильно загрязненные приустьевые районы рек Дуная и Днестра показали, что «перенасыщение» поверхностных вод метаном в этом регионе достигает сотен и тысяч раз. Следовательно, метан, поступающий из нижних слоев моря, не успевает в водной толще окислиться аэробными микроорганизмами, питающимися метаном, и поступает в атмосферу, повышая тем самым концентрацию парниковых газов. А это грозит потеплением на планете, возможным таянием ледников со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Однако проблема черноморского метана не ограничивается исключительно процессами современного микробного метанобразования.

В апреле 1989 г. в Крымском районе Черного моря сотрудники Института биологии южных морей АН УССР обнаружили пузырьки газов, поднимающиеся к поверхности моря со скоростью 12-14 м/мин.

Специальные экспедиции обнаружили многочисленные поля подводных газовыделений в различных участках северо-западной части Черного моря на глубинах 60-650 м, а также у берегов Болгарии, Керченского полуострова и Кавказского побережья. Главным компонентом выделяющихся со дна газов являлся метан (до 80%). Масштабы черноморских газовыделений оказались столь велики, что стало реальным объяснение причин огненных вспышек во время известного крымского землетрясения 1928 г. Землетрясение могло привести к крупномасштабному выбросу больших объемов метана в приводные слои атмосферы, а как известно, метан воспламеняется легче сероводорода.

Следует отметить, что локальные выходы метана из донных отложений (сипы) обнаружены во многих точках Мирового океана, и сегодня можно утверждать, что это явление носит глобальный характер.

Детальные биогеохимические исследования метановых сипов в Черном море были выполнены на подводной лодке-лаборатории «Бентос» в декабре 1990 г. В районе интенсивного газовыделения и высокого содержания растворенного метана на глубинах, где кислород полностью отсутствовал, были найдены карбонатные постройки разных типов: бугристые плиты округлой формы диаметром 0,5-1,5 м, плиты с одним или несколькими коралловидными наростами и плиты с башнеобразными или древовидными постройками высотой 30-100 см. Коралловидные постройки снаружи были покрыты мощными (до 2-3 см) слизистыми бактериальными обрастаниями. При разрушении построек из внутренних полостей и каналов выделялись струи пузырьков газов. Как оказалось, постройки на 99,6% состояли из СаСо₃ (арагонита).

Пора рассказать об одном из важнейших методов микробной биогеохимии. Метод основан на свойстве бактерий выбирать из природного субстрата, состоящего из смеси стабильных изотопов углерода (¹²С и ¹³С), более легкий изотоп (¹²С). Соответственно, микробная биомасса и продукты жизнедеятельности бактерий оказываются обогащенными легким изотопом (¹²С).

Исследования показали, что органическое вещество обрастаний характеризуется максимально легким изотопным составом углерода, что свидетельствует о его биогенном происхождении.

Полученные данные позволили предположить, что образование карбонатных построек в значительной мере обусловлено активностью бактерий, окисляющих метан.

Однако оставалась неясным, сколько разных и каких именно анаэробных микроорганизмов образует коралловидные арагонитовые постройки в местах выхода газа. Поскольку коралловидные постройки были обнаружены исключительно в анаэробной зоне, встал вопрос о механизме окисления метана в условиях полного отсутствия кислорода. Дело в том, что микробиологам хорошо известна группа аэробных метанокисляющих (метанотрофных) бактерий, однако до сегодняшнего дня не известны микроорганизмы, способные к анаэробному окислению и потреблению метана. Процесс анаэробного потребления метана регистрировался многими исследователями, однако попытки выделить культуры микроорганизмов, умеющих это осуществлять, были безуспешными.

В 1993-1994 гг. в сорок четвертом и сорок пятом рейсах научно-исследовательского судна «Профессор Водяницкий» были подняты из анаэробных зон коралловидные постройки. Снаружи они оказались покрытыми толстым (до 2-3 см) студнеобразным слоем бактериальных обрастаний (матов) розовато-коричневого цвета.

В бактериальных матах наряду с анаэробным окислением метана были зарегистрированы процессы бактериальной сульфатредукции и метаногенеза. Данные микробиологических, спектральных, энзиматических и электронно-микроскопических исследований подтвердили доминирование в составе бактериальных матов анаэробных микроорганизмов. Есть основания предполагать, что основу бактериального мата составляют метанобразующие архебактерии рода Methanotrix.

Каковы же возможные механизмы анаэробного окисления метана?

Возможное объяснение было подсказано работами Зендера и Брока, показавшими, что чистые культуры метаногенов могут часть метана анаэробно окислять до СО₂ в реакции, обратной образованию метана:

CH₄+2H₂O®CO₂+4H₂.

Принципиально использование воды в качестве конечного акцептора электронов при окислении метана термодинамически возможно при крайне низких концентрациях Н₂ и СО₂ или при высоких концентрациях метана. Поскольку до сих пор бактериальные маты обнаруживались исключительно на арагонитовых постройках в зонах выхода газовых струй, высокие концентрации метана в среде могут быть обязательным условием развития матов.

Таким образом, представляется наиболее вероятным, что в исследованных бактериальных матах анаэробное окисление метана происходит по механизму, обратному восстановлению СО₂, а образующийся водород быстро используется как на образование метана метанобразующими бактериями, так и на восстановление сульфатов сульфатредуцирующими бактериями.

Итак, в анаэробных условиях возникло и активно функционирует сообщество микроорганизмов, использующих уникальную природную зону. Масштабы явления таковы, что можно говорить о существовании «анаэробного метанового фильтра», представленного бактериальными матами на коралловидных постройках. Также можно смело утверждать, что бактериальное сообщество коралловидных построек - новое звено в экосистеме анаэробной зоны Черного моря.

Размещено на Allbest.ru