Лекции по общей геокриологии 8 Газы и биогенная

Общая геокриология
ГАЗЫ И БИОГЕННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ
МЕРЗЛЫХ ПОРОД
Область вечной мерзлоты в Северном полушарии
Вечная мерзлота
мерзлая
порода
лед
лед
Вечная мерзлота, широко распространенная в России, состоит из мерзлых пород и
льда, а ее возраст достигает нескольких миллионов лет
Исследования биогенных газов:
содержание метана с глубиной в
мерзлых отложениях Якутии
Methane content, pppm
1
1.000
1.500
2.000
Depth, m
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
5.000
5.500
10
100
1000
10000
100000
1000000
Исследования биогенных газов:
соотношение метана и углекислого
газа в мерзлых отложениях Якутии
Methane Content and Carbon Dioxide Content Relationship
Carbon Dioxide Content, ppmv
4000.0
3500.0
3000.0
2500.0
2000.0
1500.0
1000.0
500.0
0.0
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
M ethane Content, ppmv
1400.0
1600.0
1800.0
2000.0
Содержание метана в мерзлых
отложениях Якутии по простиранию
Methane content, ppmv
10000
1000
100
10
Forest
Slope
Alas
1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distance,
180 m
Содержание метана в древней мерзлоте и
после частичного оттаивания на вырубке
.
Neleger, larch forest
Neleger, cut forest
Methane content, ppmv
0.0
500.0
1000.0
Methane content, ppmv
1.00
0.0
1.00
2.00
3.00
4.00
Depth, m
Depth, m
2.00
3.00
4.00
5.00
5.00
500.0
1000.0
Содержание метана в древней мерзлоте и
после частичного оттаивания на вырубке (2)
.
Yukechi, larch forest
Yukechi, small
depression
Methane content, ppmv
0.0
500.0
1000.0
1.00
Methane content, ppmv
0.0
1.00
3.00
2.00
4.00
5.00
Depth, m
Depth, m
2.00
3.00
4.00
5.00
500.0
1000.0
Содержание метана в мерзлых породах и
льдах на Аляске, концентрация в ppmv
4890.5
1244.9
778.8
485.9
45023.7
122244.0
Эмиссия метана в мерзлых породах в
эксперименте
Days of experiment
Samples/Methane content, ppmv
Tomakomai Alaska Yakutsk
1
1.43
0.90
1.23
2
1.18
1.54
-
23
2.06
1.98
-
70
2.05
2.12
1.98
209
2.07
2.02
2.29*)
230
2.01
2.02
-
*)148 days
Рост содержания метана в эксперименте
3.000
2.000
T omakomai 1
1.500
T omakomai 2
Alaska 1
1.000
3.000
0.500
1
Methane content, ppmv
Methane content, ppmv
2.500
Alaska 2
2.500
10
2.000
100
Days
1.500
Yakutsk 3
1.000
Yakutsk 4
Yakutsk 5
0.500
0.000
1
10
Days
100
Во льду есть жизнь: микроорганизмы, найденные во льду
Антарктиды
Заслуга выдающегося открытия в 70-х годах живых
микроорганизмов, вмороженных в древний Антартический лед,
принадлежит российским ученым из Института Микробиологии
АН СССР (С.С.Абызов и другие)
Важна техника отбора образцов, обеспечивающая чистоту
Отбор образцов в подземелье Института Мерзлотоведения
им.П.И.Мельникова в Якутске
Споры гриба Penicillium из вечной мерзлоты
Фото с помощью электронного микроскопа
Микроорганизмы не только не замерзают, но и способны к росту
При температуре -5°C споры гриба Penicillium после двух
месяцев инкубации прорастают
Микроорганизмы при отрицательной температуре не замерзают: на
фото их рост при температуре -5ºC в питательной среде: слева –
переохлажденной; справа – в замороженном состоянии
Ледяная жила в подземном тоннеле Фокс
Обнажение ледяной жилы
Искусственный
холодильник
при -4o C
0.5 m
5m
… ледяная
жила
прослойки
Воздушные
включения
Форма и строение льда показывают, что
жилы никогда не оттаивали, т.е.
• отложения были постоянно мерзлыми
• микроорганизмы были изолированы
Филогенетический анализ изолятов
• 103 to 106 CFU / ml of оттаявшего льда
•301 штаммов было получено
• 70 штаммов было охарактеризовано 16S rDNA
секвенированием
Gammaproteo
bacteria
(4
representatives )
Bacilli
( 5 representatives )
Actinobacteria
( 61 representatives )
0.1
Новые виды?
• less than 97% similarity with those in database (partial 16S rDNA sequences)
No.
Closest species (Accession no.)
Similarity
ki2-o11
Arthrobacter ramosus (AM039435)
96.5%
ki2-j34
Arthrobacter woluwensis (X93353)
96.8%
ki2-m9
Agrococcus jenensis (AJ717350)
95.5%
ki2-j21
Agreia sp. 37-4 (AF513393)
96.7%
ki2-j22
Frigoribacterium sp. GWS-SE-H243 (AY332185)
96.9%
ki2-h51
Salinibacterium sp. 7320 (AM111058)
95.4%
ki2-j18
Frigoribacterium aff. faeni A-1/C-an/E (AJ297441)
96.5%
ki2-m15
Curtobacterium sp. B20 (AF128869)
94.6%
ki2-h47
Brevibacterium sp. SK8E11 (DQ153944)
96.2%
ki2-m17
Rhodococcus fascians (AJ011329)
95.7%
ki2-g6
Rhodococcus sp. P27-27 (DQ060384)
95.5%
ki2-l37
Luteococcus peritonei (AJ132334)
94.8%
ki2-l20
Nocardioides jensenii (AF005006)
96.4%
ki2-j4
Aeromicrobium sp. Gsoil 098 (AB245394)
95.9%
ki2-l2
Aeromicrobium panaciterrae (AB245387)
96.7%
Температурная чувствительность изолятов
Strain no.
Citricoccus sp. ki2-o5
Arthrobacter sp. ki2-l25
Arthrobacter sp. ki2-o18
Arthrobacter sp. ki2-l1
Arthrobacter sp. ki2-a9
Arthrobacter sp. ki2-h42
Arthrobacter sp. ki2-b47
Arthrobacter sp. ki2-c12
Arthrobacter sp. ki2-l3
Brachybacterium sp. ki2-m19
Brachybacterium sp. ki2-l13
Brachybacterium ki2-o16
Microbacterium sp. ki2-c53
Microbacterium sp. ki2-m48
Microbacterium sp. ki2-g13
Agrococcus ki2-b50
Cryobacterium ki2-o13
Frigoribacterium sp. ki2-h30
Frigoribacterium sp. ki2-o9
Salinibacterium sp. ki2-l35
Agreia sp. ki2-o4
Agreia sp. ki2-b52
Curtobacterium sp. ki2-m15
Janibacter sp. ki2-m21
Brevibacterium sp. ki2-l21
Dietzia sp. ki2-g3
Rhodococcus sp. ki2-m3
Planococcus sp. ki2-h28
Planococcus sp. ki2-b17
-5
4
15 20
27
37
(oC)
Psychrotolerant
Psychrophile
Рост определялся по диаметру колонии на среде LB agar от 5 дней до 3 месяцев
Время удвоения Arthrobacter spp
25
5
dry cell weight (g /
l)
• Arthrobacter sp. ki2-o18
1
2.8
0.1
9.5
0.1
39.4~49.6
0.01
0.01
3.5
0.001
0.001
0.0001
0.0001
10
20
15
(o C)
20
-5
1
2.6
0
.
30
40
0
time (h)
5
10
15
20
time (d)
dry cell weight (g /
l)
• Arthrobacter sp. ki2-l25
1
1
3.0
2.9
0.1
9.7
0.1
36.7~41.9
0.01
0.01
3.6
0.001
0.001
0.0001
0.0001
0
10
20
30
40
time (h)
0
5
10
15
20
time (d)
shaking incubation at 150 rpm-1 in LB medium
Изоляты грибов и их чувствительность
Strain
Closest species (Accession no.) (Similarity)
I2Fp75
Phaeococcomyces nigricans (AJ276065) (99.0%)
I2F7
Leucosporidium antarcticum (AF44529) (100%)
I2F2
I2F3
I2F10
Geomyces sp. FFI 30
(AJ608960) (99.3%)
Geomyces sp. FFI 30
(AJ608960) (99.2%)
Geomyces sp. FFI 30
(AJ608960) (99.8%)
1 cm
-5o C
20o C
27o C
(3 months)
(7 days)
(7 days)
В поисках древнейших мерзлых отложений
На фото обнажение Мамонтова гора в Якутии; возраст мерзлых пород,
возможно, около 2 миллионов лет
Бактерия из древней мерзлоты
Выделенный штамм Bacillus; слева - окрашивание по Граму, справа – рост при
температуре -5 градусов в течение 5 месяцев
Способны ли они выживать в космосе?
Предполагаемые остатки микроорганизмов из метеоритов MetA. Iperstenic chondrite,
fallen on Feb. 3, 1882 at Mocs, Transilvania and MetC. Enstatitic olivinic chondrite, fallen
in 1919 at Bur Hacaba, Somalia (kindly provided by Real Museo Mineralogico, Naples;
from Giuseppe Geraci et al., Rendiconti Accademia Nazionale dei Lincei, s. 9 (Mat.) vol. 12,
51-64, 2001).
Нуклеотиды ДНК (A, U, G, C) имеют ограниченное время жизни
(Levy & Miller, 1998)
Наиболее нестабильным оказывается цитозин со временем полураспада при
температурах 0 - -10 градусов Цельсия около 300 лет.
Выживает сильнейший?
Вечная мерзлота – арена беспрецедентного естественного отбора. Биллионы клеток
в ней не способны к передвижению, лишены пищи и пространства для
размножения. После тысячелений существования в ее толщах могли выжить только
клетки, обладающие механизмом поддержания их жизнеспособности в течение
гигантских периодов времени.
Вопросы, на которые следует ответить:
1. Действительно ли найденные микроорганизмы древние клетки: а) исключена миграция; б) не
происходило оттаивания мерзлоты и загрязнения; в)
клетки в мерзлоте находятся в неактивном состоянии и
не растут
2. Почему бактерии из мерзлоты принадлежат к
различным систематическим группам
3. Содержат ли культуры клеток из мерзлоты белки,
ответственные за сохранение микроорганизмов в
течение длительного времени
4. Могут ли эти специфические белки быть выделены и
использованы для продления жизни других,
небактериальных клеток – в частности, человеческих