Особый интерес представило карбонат-хлоридное (с рН 9.5) оз.Хилганта, расположенное в озерно-сопочном степном ландшафте Читинской обл. Дно этого озера на всем протяжении более 300 м2 покрыто цианобактериальным матом толщиной 10 мм с типичным для предшественников строматолитов слоистым строением. В двух верхних слоях из цианобактерий преобладали Microcoleus и Phormidium molle. Ранее цианобактериальные маты щелочных озер Пиренейского п-ова описали М.Герреро с сотрудниками [Guerrero M.C., Tadeo A.B., 1994]. Можно считать доказанным, что в содовых озерах континентального происхождения могут развиваться цианобактериальные сообщества, имеющие все черты предшественников строматолитов.
Чтобы выяснить трофическую структуру любого сообщества, прежде всего необходимо найти источник органического вещества. Содовые водоемы Африки с высоким (десятки миллиграмм в литре) содержанием фосфатов исключительно богаты первичной продукцией, производимой цианобактериями. Их развитие приводит к зарастанию (евтрофированию) водоемов, подобно тому, как это бывает в равнинных водохранилищах, куда с полей попадают удобрения. Для культур цианобактерий, выделенных в лабораториях на искусственных средах, были определены поля развития в координатах: минерализация-рН и соленость-щелочность [Дубинин А.В., Герасименко Л.М., Заварзин Г.А., 1995]. Оказалось, что множество цианобактерий хорошо приспособлено к резко щелочным условиям наземных содовых вод. Высокое значение рН не служит ограничивающим фактором еще и потому, что в результате фотосинтеза в плотных массах водорослей показатель поднимается до рН11. Можно без преувеличения утверждать, что содовые водоемы - наиболее характерное местообитание для цианобактерий, из которого их не вытеснили эвкариоты, в противоположность морю, где разнообразие цианобактерий не так велико. Как все евтрофные водоемы, содовые озера оказались богаты и разнообразны по микрофлоре.
Даже в экстремальных условиях оз.Магади при насыщении воды троной (NaHCO3*Na2CO3*2H2O) над 30-метровым слоем содовых отложений при минерализации 260 г/л микрофлора необыкновенно пестрая. Достаточно посмотреть в микроскоп, чтобы утверждать, что морфологическое разнообразие в алкалофильном сообществе покрывает все известные морфотипы прокариот: здесь есть и многочисленные спирохеты, и простекобактерии с выростами, множество изогнутых микроциклусов, спирилл, палочек и кокков, угловатые плоские клетки архей.
К началу наших исследований микробных сообществ содовых озер среди алкалофилов были известны лишь несколько видов преимущественно органотрофных аэробов и аноксигенных фототрофов, причем их рассматривали вне связи с сообществами, в которых они развивались.
Чтобы существовать в течение длительного времени (а в случае реликтовых сообществ, аналогов биоты прошлого, речь идет о миллиардах лет), сообщество должно представлять трофическую целостность. Поэтому для понимания трофической взаимосвязи групп организмов в сообществе и их роли в биогеохимических циклах в содовых водоемах необходимо изучать микробное сообщество как единую систему. Способ питания прокариот ограничен осмотическим поступлением веществ в клетку. Для построения пищевой системы сообщества прокариот продукт-субстратное взаимодействие оказывается наиболее важным. Такую схему можно построить и дедуктивным путем с помощью метода элективных культур, выделив типичных представителей каждой функциональной группы. В раннем протерозое атмосфера в целом была бескислородной, за исключением небольших островков гипероксии, создаваемых цианобактериями во время фотосинтеза; все остальные организмы должны были развиваться анаэробно. Мортмассу цианобактерий разлагали преимущественно анаэробы, как и в современных водоемах с высокой продуктивностью, где аэробы, полностью поглощающие кислород в 2-3 мм от поверхности осадка, обеспечивают анаэробные условия. Исходя из этого, основное наше внимание было сконцентрировано на изучении анаэробов.
Часть 3
Трофическую цепь удобнее всего моделировать в накопительной культуре с нерастворимым субстратом, например целлюлозой, характерной прежде всего для наземных сообществ. Алкалофильные микробы разлагают целлюлозу в общих чертах так же, как нейтрофилы, но с участием других организмов и часто гораздо быстрее. Процесс начинают целлюлозолитические палочки, одевая частицы целлюлозы слизистым монослоем клеток. Продуктами разложения в первую очередь служат водород и ацетат, а углекислота уходит в карбонатный буфер.
По термодинамическим причинам водород должен быть удален из системы. Здесь возможны два пути: в присутствии окисленных соединений серы - сульфидогенез, а когда их недостаточно - ацетогенез. Для алкалофильного сообщества характерна водородная сульфатредукция. Хотя этот процесс как ведущий в содовых водоемах еще в 30-х годах описал Б.Л.Исаченко, выделить в культуру главного возбудителя долго не удавалось. Это было сделано у нас в лаборатории в 1995 г. Им оказался вибрион, использующий в качестве субстрата водород или формиат и восстанавливающий сульфат в сульфид. Сначала из оз.Магади выделили Desulfonatronovibrio hydrogenovorans, который затем обнаружили и в центральноазиатских озерах с меньшей минерализацией и совсем другим климатом. Тем не менее штаммы имели практиычески полную гомологию ДНК с африканскими. Отсюда возникают вопросы: приложим ли, согласно Конвенции по биоразнообразию, к микробам, распространяемым с пылью по всему свету, статус государственной собственности на генетические ресурсы? Не следует ли больше внимания уделить микробным сообществам в природе, для которых необходимы "заповедники" [Заварзин Г.А.,1990]?
Вслед за Desulfonatronovibrio мы описали еще один сульфатредуктор - более крупный вибрион Desulfonatronum. Клетки этого типа отчетливо наблюдаются в сообществе с целлюлозоразлагающими микроорганизмами на ранних стадиях процесса; позднее их сменяют споровые палочки, использующие ацетат.
В естественной среде ацетогенные (образующие ацетат) бактерии используют самые разнообразные субстраты, но для них характерен специфический метаболизм с участием фермента СО-дегидрогеназы. Описанная нами Natroniella acetogena из содовых рассолов оз.Магади стала объектом биохимических исследований группы алкалофильных гомоацетогенов. Она принадлежит к новой филогенетической ветви галоанаэробов, недавно выделенных в порядок Haloanaerobiales [Rainey F.A., Zhilina T.N., Boulygina E.S., Stackebrandt E., Tourova T.P., Zavarzin G.A., 1995]. Большинство этих организмов живет в гиперсоленой воде морского происхождения. Natroniella развивается при высокой концентрации NaCl (10-26%) и pH=10.
Следующую группу аммонифицирующих ацетогенов составляют организмы, сбраживающие аминокислоты. К ним относятся описанные нами в 1998 г. Tindallia magadiensis и Natronincola histidinovorans, основные продукты обмена которых - ацетат и аммиак. Эти организмы используют как субстрат брожения крайне ограниченное число соединений. Для Natronincola это лишь гистидин, что отражено в видовом названии, и глутамат. Tindallia специализирована на сбраживании органических оксикислот и некоторых аминокислот орнитинового цикла, в том числе аргинина, входящего в цианофицин - запасное азотистое вещество цианобактерий.
Среди анаэробов особое место занимают спирохеты. Эти организмы составляют отдельную филогенетическую ветвь (ранга порядка-класса) по классификации рРНК. Их присутствие в содовых озерах легко регистрируется с помощью микроскопа по характерной и очень своеобразной морфологии, но среди известных видов спирохет алкилофильные представители не были описаны. Из содовых озер нами выделено три вида галоалкалофильных спирохет: два из оз.Магади - Spirochaeta alkalica, S.africana и один - алкалофильная спирохета S.asiatica из оз.Хадын (Тува). Они сбраживают моно- и дисахариды и относятся к группе диссипотрофов, использующих рассеиваемые низкомолекулярные вещества (например, из мест гидролиза полисахаридов). Главными продуктами S.alkalica были ацетат и H2; S.africana - ацетат, этанол, H2; S.asiatica - ацетат, этанол, лактат, но не H2. Интересно, что спирохеты в отличие от целлюлозоразрушающих бактерий оказались очень устойчивыми по отношению к сероводороду.
Последние изученные нами из организмов обширной группы анаэробов, метаногены, действуют на заключительном этапе деструкции. В содовых водоемах, как и в галофильных сообществах морских систем, характерен метилотрофный путь метаногенеза. Выделенный из оз.Магади Methanosalsus zhilinaeae использует для образования метана метанол или метиламины. Пока предшественники этих соединений в алкалофильной системе неизвестны, но ими могут быть осмопротекторы типа бетаина, как это установлено для галофильных сообществ [Жилина Т.Н., Заварзин Г.А., 1991].
Часть 4
Восстановленные газы ( сероводород, аммиак и метан), образуемые анаэробными организмами при переходе в аэробную зону, могут служить субстратами для литотрофных организмов, которые формируют окислительный фильтр. Его исследовал на примере содовых озер Кении и Прибайкалья Д.Ю.Сорокин. Он обнаружил в них ранее не известных экстремально алкалофильных тионовых бактерий, которые окисляют серные соединения, в том числе сероводород при pH10, и алкалофильных водородокисляющих бактерий. Но неожиданной находкой стало открытие им алкалофильного метанотрофа, способного окислять как метан в углекислоту, так и аммиак в нитрит. По цитологии нитрификаторы и метанотрофы очень похожи - их клетки набиты слоями мембран, но у всех известных метанотрофов аммиак ингибирует окисление метана. Это первый случай такого совмещения функций. Другую группу алкалофильных метанотрофов и метилотрофов из центрально-азиатских озер описали Ю.А.Троценко и его сотрудники. Британские исследователи выделили разнообразных аэробных органотрофов из щелочных озер Африки. Все эти организмы принадлежат к группе протеобактерий.