(Резкая вертикальная стратификация с высокоплотной популяцией бактерий в небольшом меромиктическом озере Трёхцветное)
В природных водах численность бактерий обычно невелика, даже в эвтрофных условиях она достигает не более 107 клеток в мл, причем в состав сообщества входят десятки разных видов бактерий и архей. В таких условиях бактерии обычно распределены равномерно. Совсем другое дело – меромиктические водоемы, где в силу различий в плотности воды водоем полностью не перемешивается, и возникает устойчивая стратификация. Обычно в них выделяют три слоя: верхний, в котором действует ветровое перемешивание, из-за чего он однородный, нижний «застойный» и промежуточный слой – хемоклин. Меромиктических озер известно около двухсот, что составляет менее 1% от всех озер мира. В экосистеме меромиктического водоема бактерии играют важную роль, особенно – в цикле углерода и серы; они осуществляют переработку органических соединений, в том числе – метана, и неорганических, таких как сероводород, восстановленные формы железа и марганца. В энергетическом потоке прибрежных меромиктических водоемов, которые образовались путём отделения от моря, доминирующую роль играет цикл серы. Нижний слой воды этих озер содержит сульфаты, которые всегда присутствуют в морской воде. Бактерии-сульфатредукторы используют их в качестве акцептора электрона для окисления органики и переводят в сульфиды. Это приводит к накоплению в придонном слое сероводорода в больших количествах. Если до сероводородного слоя доходит свет, то возникает сообщество из аноксигенных фототрофных бактерий. Они используют видимую часть светового спектра для окисления сероводорода, сопряженного с фиксацией СО2. Аноксигенные фототрофные бактерии могут достигать там очень высокой численности и при этом концентрируются в тонком слое, своего рода бактериальной пластинке (bacterial plate), подвешенной в толще озера. Её можно увидеть невооруженным глазом – этот слой воды имеет насыщенную зеленую окраску. Это бактериальное сообщество работает как биологический фильтр, который полностью перекрывает путь газам-восстановителям из нижнего слоя вверх.
Один из водоемов, где есть такая бактериальная пластина – озеро Трёхцветное, расположенное на берегу Белого моря недалеко от Беломорской биостанции МГУ им. М.В. Ломоносова. Озеро образовалось в результате отделения от моря при подъеме берега. Поверхностный слой озера опреснился за счет стока с водосборного бассейна, а нижний остался соленым. Сейчас оно полностью изолировано от моря, забросы морской воды случаются крайне редко, только когда на сизигийный прилив накладывается сильный нагонный ветер. Трёхцветное – одно из самых маленьких меромиктических озёр, упомянутых в научной литературе, его максимальная глубина всего 7 м, а под большей частью поверхности озера не более 4 м., но при этом в нем сформировались очень резкие физико-химические градиенты, крайне активно происходят процессы цикла углерода и серы, и в его хемоклине невероятно высокая плотность зеленых серных бактерий. Все это делает озеро Трёхцветное перспективной моделью для изучения экологических связей и условий формирования высокоплотного бактериального сообщества.
Наблюдения за гидрологическими параметрами озера были начаты в 2010 году, и все это время проводится круглогодичный мониторинг, в ходе которого собраны большие ряды данных о солености, температуре, содержании растворенного кислорода и сероводорода, pH, окислительно-восстановительном потенциале, освещенности на разной глубине. Распределение микроорганизмов следует вертикальной стратификации абиотических параметров. В зоне контакта света и сероводорода на глубине около 2 м сформировалось высокоплотное бактериальное сообщество, окрашивающее соответствующий слой воды в зелёный цвет.
Спектры поглощения света пробами воды из этого слоя указывают на присутствие бактериохлорофилла d и каротиноида хлорбактена, характерных для зелено-окрашенных зеленых серных бактерий. Отсутствие признаков каротиноида изорениратина, свойственного коричнево-окрашенной форме этих бактерий, которые встречаются в хемоклине некоторых беломорских озер, говорит о то, что их там нет или крайне мало. Какие именно бактерии придают хемоклину окраску – очень важный вопрос, поскольку в разных меромиктических озерах эти бактерии разные, а у самих бактерий – разные экологические требования. Одним нужно больше света, другим – меньше; одни – строгие анаэробы, другие выдерживают присутствие кислорода в небольшом количестве. В беломорских водоемах встречается два варианта: зеленоокрашенные зеленые серные бактерии, более требовательные к освещенности, и коричневоокрашенные – им света нужно меньше. Среди известных прибрежных водоемов, отделяющихся от Белого моря озеро Трёхцветное – единственное, у которого в хемоклине абсолютно доминирует зеленоокрашенная форма, почти без примеси коричневой. То же самое подтвердил метагеномный анализ.
Наибольшая концентрация бактериохлорофилла d, которая была зарегистрирована в бактериальной пластине оз. Трехцветное – 4,5 мг/л, что очень много. Общее число бактерий в зимнее время составило 6 х 107 клеток в мл воды, и в конце лета – 2 х108 кл/мл. Столь высокая численность бактерий и соседство бактериальной пластины и слоя с большим количеством летучих восстановленных соединений указывает на активное участие бактерий в потоке вещества и энергии.
С помощью радиоизотопной метки (14С) ученые измерили скорости ассимиляции углекислого газа, при аноксигенном бактериальном фотосинтезе, оксигенном фотосинтезе, осуществляемом цианобактериями и фитопланктоном, а также при темновой фиксации, в которой участвуют хемоавтотрофные и гетеротрофные микроорганизмы. Самым продуктивным слоем оказался именно зеленый бактериальный слой, а в ней самым активным процессом – аноксигенный фотосинтез. Его интенсивность оказалась на порядок больше, чем у фотосинтеза фитопланктона, который обитает в верхнем, аэробном слое озера. Более того, величины скоростей ассимиляции CO2, которые получили исследователи – рекордны среди когда-либо опубликованных в работах о меромиктических озерах. Особенно для аноксигенного фотосинтеза. И там же находится максимум сульфатредукции. Его определяли с применением радиоактивной метки 35S. В нижнем слое интенсивность сульфатредукции в 2-3 раза меньше, но, поскольку сам он гораздо толще, чем бактериальная пластина, ширина которой не превышает 10 см, то большая часть сероводорода озера производится в монимолимнионе и на поверхности донного осадка.
Чтобы разобраться с составом бактериального сообщества в хемоклине и в сероводородной зоне, был применен метагеномный анализ по генам V3-V4 16S РНК. Этот метод позволяет определить состав сообщества на уровне родов. Были взяты пробы из верхней, средней и нижней части хемоклина (с глубины 1,75 м, 1,9 м и 2,0 м) и из середины монимолимниона (4 м). Наибольшее разнообразие бактерий (более 100 таксонов) обнаружено на глубине 1,75 м, где еще есть кислород. Количественно преобладали зеленые серные бактерии, на долю которых пришлось 50% всех ридов – прочтенных последовательностей нуклеотидов, а остальные 50% – на сотню родов, среди которых ни один численно не выделялся. Присутствие зеленых серных бактерий в аэробной зоне удивительно, поскольку они – строгие анаэробы. Возможно, там оказались мертвые бактерии, всплывшие из основного слоя своего обитания за счет внутриклеточных газовых пузырьков (везикул). На долю цианобактерий в этом слое пришлось 5% таксономического разнообразия, и такая же величина была получена при подсчете клеток под микроскопом.
На глубинах 1,9 и 2 м абсолютным доминантом были зеленые серные бактерии Chlorobium, которые составляли 94% микробного сообщества. Численность клеток хлоробий на глубине 2 м была на два порядка больше, чем в слое, расположенном 20-ю сантиметрами выше. В анаэробной зоне на глубине 4 м Chlorobium составляли 80% бактериального сообщества, но, поскольку свет туда не проникает, а без него жизнь фотосинтезирующих организмов невозможна, это могли быть только мертвые клетки. Остальные 20% бактериального сообщества там были представлены примерно 90 таксонами.
Секвенирование «методом дробовика» (shotgun sequencing) позволило собрать контиги, общая длина которых составляет около 98% генома доминирующей бактерии, и определить ее как Chlorobium phaeovibrioides. Однако по морфологии бактерии из озера Трёхцветного отличаются от эталонного вида наличием газовых везикул. В классической микробиологической систематике этот признак считался очень важным для определения бактерий, но, судя по генетическим данным, для установления родства он не такой уж ценный. Удалось даже найти те гены, которые отвечают за формирование везикул у бактерий из Трёхцветного озера, и кодируемые ими белки.
Чтобы убедиться в правильном определении видовой принадлежности, исследователи сравнили свой Chlorobium с эталоном по двум генам, один из которых кодирует субъединицу А светособирающего пигмент-белкового комплекса Фенна-Мэтьюса-Ольсона, а второй — 16S РНК. И по тому, и по другому генам, бактерии из Трёхцветного надежно совпадали с Chlorobium phaeovibrioides. Более того, судя по крайне низкой генетической гетерогенности бактерий, собранных по всей акватории озера, которую оценивали по количеству однонуклеотидных замен, Ch. phaeovibrioides из оз. Трёхцветного представляет не просто вид, а возможно даже один клон!
Плотная культура бактерий не может не подвергаться атакам бактериофагов, а столь однородная генетически должна быть к ним очень уязвима. Но никаких признаков «болезни» бактериального слоя ученые никогда не видели. Много лет подряд, зимой и летом зеленый слой всегда есть и всегда радует насыщенным зеленым цветом. Впрочем, вирусные частицы там тоже есть, их много, они разные и хорошо видны на снимках с электронного микроскопа. Фаги настолько прочно связаны со слизистой оболочкой бактериальных клеток, что при центрифугировании их не удается отделить. Здесь снова на помощь пришла молекулярная генетика. При анализе длинных фрагментов прочитанной ДНК были обнаружены участки, похожие на те, которые у других вирусов отвечают за формирование головки фага, сократимого хвоста и белка, который участвует в распознавании рецептора хозяина. Кроме того, в геноме Ch. phaeovibrioides были обнаружены три антивирусные системы CRISPR-Cas. В составе так называемых кассет двух из этих систем обнаружились короткие фрагменты – спейсеры соответствующие последовательности обнаруженного фага, что однозначно указывает на то, что у хлоробий происходила адаптация к атаке именно этого вируса. Попутно выяснилось, что у хлоробий из озера Трёхцветного есть еще и специфическая плазмида. У нее есть гены, связанные с репликацией и разделением плазмид, с две токсин-антитоксиновые системы, которые потенциально могут быть антифаговыми системами абортивной инфекции (суицидальная система, обеспечивающая смерть инфицированной клетки до продукции вирусного потомства) и два гена, функционально связанные с рестрикцией ДНК. Некоторые копии плазмиды встроены в кольцевую хромосому бактерий, а некоторые находятся в клетках в свободном состоянии.
Высокоплотное бактериальное сообщество интересно еще и тем, что его положение в толще озера и некоторые другие свойства определяются не только физико-химическими факторами, такими как градиент солености, содержание сероводорода и глубина проникновения света, но и биологическими. Судя по оптической плотности суспензии бактерий, свет достается только тем клеткам, которые находятся на верхней поверхности зеленого слоя, а уже на 1 см глубже бактерии существуют в условиях темноты. Можно предположить, что в пределах бактериального слоя у клеток существует ротация, либо верхние клетки могут каким-то способом передавать энергию к нижним. Удивительна устойчивость популяции Хлоробиума к бактериофагам, и пока не понятна роль в этом плазмид.
Участники этого исследования крайне признательны директору Беломорской биостанции МГУ профессору А.Б.Цетлину и сотрудникам биостанции В.В. Сивонену, А.В. Савченко, за содействие в организации полевых работ, а также благодарны А.В. Воронову, Н.Л.Фроловой, В.А. Широковой, А.В. Чупакову, С.В. Пацаевой, А.В. Харчевой, С.А. Забелиной, Г.Н. Лосюк за помощь в работе. Особая признательность — Н. Браун из Лестерского университета (Великобритания) за конструктивную критику рукописи и языковое редактирование.
Работа поддержана грантами РФФИ 17-04-01263 и 16-05-00548, РНФ 16-14-10201, ФАНО (проекты 0104-2014-0101 и 0104-2014-0109).
