Микробные сообщества морского льда ( SIMCO ) относятся к группам микроорганизмов, живущих внутри и на границах морского льда на полюсах. Ледяная матрица, в которой они обитают, имеет сильные вертикальные градиенты солености, света, температуры и питательных веществ. Химия морского льда больше всего зависит от солености рассола, которая влияет на pH и концентрацию растворенных питательных веществ и газов. Рассол, образующийся во время таяния морского льда, создает поры и каналы в морском льду, в которых могут жить эти микробы. В результате этих градиентов и динамических условий более высокая численность микробов обнаруживается в нижнем слое льда, хотя некоторые из них обнаруживаются в средних и верхних слоях. Несмотря на эту экстремальную изменчивость условий окружающей среды, таксономический состав сообщества имеет тенденцию оставаться постоянным в течение года, пока лед не растает. [1]
Большая часть знаний о разнообразии сообществ морского льда известна благодаря генетическому анализу и секвенированию следующего поколения . Как в Арктике, так и в Антарктике, Alphaproteobacteria , Gammaproteobacteria и Flavobacteriia являются распространенными классами бактерий, обнаруженными. Большинство архей морского льда относятся к типу Nitrososphaerota, в то время как большинство простейших относятся к одной из 3 супергрупп: Alveolata , Stramenopile и Rhizaria . Обилие живых клеток внутри и на морском льду колеблется от 10 4 до 10 8 клеток/мл. [1] Эти микробные сообщества играют важную роль в микробной петле, а также в глобальных биогеохимических циклах . Сообщества морского льда важны, поскольку они обеспечивают источник энергии для более высоких трофических уровней , они способствуют первичной продукции и обеспечивают чистый приток углерода в океаны на полюсах. [2]
Осеннее понижение атмосферных температур в Арктике и Антарктике приводит к образованию поверхностного слоя ледяных кристаллов, называемого ледяной шугой . Смесь солей, питательных веществ и растворенных органических веществ (РОВ), известная как рассол, выбрасывается, когда ледяной шугой застывает, образуя морской лед. Рассол проникает через ледяной покров и создает сеть каналов и пор. Этот процесс формирует начальную полутвердую матрицу толщиной около 1 метра с сильными градиентами температуры, солености, света и питательных веществ. [3]
Поскольку утолщение морского льда в зимние месяцы приводит к тому, что из ледяного покрова вымывается больше солей, температура воздуха сильно и отрицательно коррелирует с соленостью рассола. Температура на границе раздела морской лед-морская вода поддерживается на уровне точки замерзания морской воды (~1,8 °C), в то время как температура на границе раздела морской лед-воздух больше отражает текущую температуру атмосферы. [4] Соленость рассола может увеличиваться до 100 PSU, когда температура морского льда достигает ~3 °C ниже точки замерзания морской воды. [5] Температура рассола обычно колеблется от -1,9 до -6,7 °C зимой. [6] Температура морского льда колеблется в зависимости от освещенности и атмосферных температур, но также изменяется в зависимости от объема снегопада. Накопление снега на ледяном покрове в сочетании с суровыми атмосферными условиями может привести к образованию слоя снежного покрова, который поглощает УФ-излучение и обеспечивает изоляцию нижнего слоя льда. Таким образом, доля солнечного излучения, достигающая морского льда, также контролируется количеством выпавшего снега и варьируется от <0,01% до 5% в зависимости от толщины и плотности снежного покрова. [4]
Поверхность морского льда также позволяет формировать инейные цветы , которые имеют свои собственные уникальные микробные сообщества. [1]
Колебание солености рассола, которое контролируется атмосферными температурами, является единственным наиболее влиятельным фактором на химию матрицы морского льда. Растворимость углекислого газа и кислорода , двух биологически важных газов, уменьшается в растворах с более высокой соленостью. Это может привести к гипоксии в областях высокой гетеротрофной активности матрицы морского льда. Области высокой фотосинтетической активности часто демонстрируют внутреннее истощение неорганических углеродных соединений и гипероксию . Эти условия имеют потенциал для повышения pH рассола и дальнейшего содействия созданию экстремальной среды . В этих условиях высокие концентрации РОВ и аммиака и низкие концентрации питательных веществ часто характеризуют матрицу льда. [7]
Высокая соленость рассола в сочетании с повышенным pH снижает скорость, с которой газы и неорганические питательные вещества диффундируют в ледяную матрицу. [6] Концентрация питательных веществ, таких как нитрат , фосфат и силикат внутри морской ледяной матрицы, в значительной степени зависит от диффузионного притока из интерфейса морской лед-вода и в некоторой степени от атмосферных отложений на интерфейсе морской лед-воздух. [5] Считается, что концентрация железа в ледяном покрове Южного океана регулируется количеством нового железа во время образования льда и, как было показано, снижается в конце зимы. [8]
Химические свойства матрицы морского льда очень сложны и зависят от взаимодействия между внутренним биологическим комплексом морского льда, а также внешними физическими факторами. [4] Зимы обычно характеризуются умеренными уровнями кислорода, которые сопровождаются концентрациями питательных веществ и неорганического углерода, которые не ограничивают рост фитопланктона . Лето обычно характеризуется высокими уровнями кислорода, которые сопровождаются истощением питательных веществ и неорганического углерода. Из-за диффузионного взаимодействия с морской водой нижняя часть матрицы морского льда обычно характеризуется более высокими концентрациями питательных веществ. [6]
Микроорганизмы, присутствующие в поверхностной морской воде во время падения, интегрируются в соляной раствор во время образования льда. Небольшая часть первоначальной микробной популяции колонизирует ледяную матрицу, в то время как остальная часть вытесняется с соляным раствором. [5] Исследования показали, что микробное удержание морского льда может быть усилено присутствием внеклеточного полимерного вещества /полисахаридов (EPS) на стенках соляных каналов. EPS — это белки, экспрессируемые на клеточных стенках микроорганизмов, таких как водоросли . Они улучшают адгезию клеток к поверхностям и, когда находятся в достаточной концентрации, как полагают, играют роль в привлечении других организмов, таких как микробы . [5]
Воздушные микроорганизмы составляют значительную долю микробного вклада в ледяную матрицу. Микроорганизмы, находящиеся в море или в рассоле ледяной матрицы, могут быть включены в падающий снег или в аэрозоли , а затем переноситься сильными ветрами, такими как Западный ветер, который вызывает Антарктическое циркумполярное течение . Эти воздушные микроорганизмы могут происходить из наземной среды и морской среды , тем самым способствуя разнообразию SIMCO. [5]
Микробы, колонизирующие антарктический морской лед, в конечном итоге внедряются в поровые пространства и каналы рассола ледяной матрицы, но также могут обитать на границе раздела лед-морская вода. [9] Поровые пространства в матрице теряют способность обмениваться питательными веществами, РОВ и микроорганизмами с рассолом при температуре около -5 °C. Это говорит о том, что антарктическое микробное сообщество является текучим вдоль ледяной матрицы осенью и весной и что оно ограничено зимой. [9]
В Арктике соляные каналы также населены бактериями. Каналы размером ≤200 мкм предлагают пространственное убежище с концентрациями микробного сообщества на 1-2 порядка выше, чем в остальной сети каналов. [10]
Как в антарктической, так и в арктической морской ледяной среде наблюдаются сильные вертикальные градиенты солености, температуры, света, питательных веществ и РОВ. Было показано, что эти градиенты вызывают сильную вертикальную стратификацию в бактериальных сообществах по всему слою льда. [11] [12] Микробная численность значительно снижается с глубиной в верхнем и среднем слое льда, но не в самом нижнем, что предполагает, что большая часть прокариотического бактериального сообщества устойчива к экстремальным условиям окружающей среды. [11] Также было показано, что гетеротрофные бактерии более многочисленны в нижней части слоя льда в зонах большей концентрации водорослей, которые характеризуются более высокой концентрацией РОВ и питательных веществ. [12]
Временное распределение состава микробного сообщества в антарктическом и арктическом морском льду не демонстрирует значительной сезонной изменчивости, несмотря на экстремальные условия окружающей среды. Предыдущие исследования местообитаний морского льда показали, что состав SIMCO в начале осени идентичен исходному сообществу морской воды. [13] Состав микробного сообщества, по-видимому, не претерпевает значительных изменений осенью и зимой, несмотря на экстремальную изменчивость освещенности, температуры, солености и концентрации питательных веществ. Напротив, численность в SIMCO снижается в течение зимы, поскольку ресурсы становятся ограниченными. Исследования показали, что микроводоросли морского льда обеспечивают платформу и источник органических питательных веществ для роста бактерий, тем самым увеличивая разнообразие и численность сообщества. [13] [14] Также было доказано, что микробы вырабатывают внеклеточные полимерные вещества (EPS), которые помогают удерживать питательные вещества и выживать в условиях высокой солености и низких температур. [5]
Увеличение уровня освещенности в конце весны способствует фотосинтезу ледяных водорослей, что в свою очередь влияет на численность и состав микробного сообщества. В то время как большая часть морского ледяного покрова тает поздней весной в Антарктике и Арктике, многолетний морской лед иногда сохраняется, когда поздней весной и летом температуры ниже средних. Это говорит о том, что некоторые микробные линии могли более эффективно адаптироваться к экстремальным условиям морской ледяной среды. Временная численность также может зависеть от толщины годового ледяного покрова и сезонных колебаний температуры. Было показано, что толщина ледяного покрова регулирует микробное производство и температуру ледяной матрицы посредством изоляции слоев. [15]
Большая часть информации о составе микробного сообщества морского льда получена из генов таксономических маркеров рибосомальной РНК 16S и метагеномных анализов. [9] Секвенирование следующего поколения позволило исследователям идентифицировать и количественно оценить микробные сообщества, а также получить более полное представление об их структуре.
Метагеномные исследования арктического морского льда показывают классы Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria и Flavobacteria . В классе Flavobacteriia наиболее распространены роды Polaribacter , Psychrobacter , Psychroflexus и Flavobacterium . В классе Gammaproteobacteria наиболее распространены роды Glaciecola и Colwellia . [1] Также в образцах арктического морского льда были обнаружены бактерии следующих классов и типов: «Opitutae», Bacilli , « Cyanobacteria », Betaproteobacteria , Sphingobacteria и Aquificota . [1]
Метагеномные исследования моря Росса иллюстрируют высокую распространенность аэробных аноксигенных фототрофных бактерий в морской ледяной среде. [16] Было показано, что эти специалисты в основном принадлежат к классу Alphaproteobacteria. Было показано, что роды класса Alphaproteobacteria включают Loktanella , Octadecabacter, Roseobacter , Sulfitobacter и Methylobacterium и согласуются с предыдущими филогенетическими анализами морского льда вокруг Антарктиды. Исследование рибосомальной РНК SIMCO 16S на мысе Халлетт в Антарктиде показало, что аэробные оксигенные фототрофные бактерии могут быть столь же многочисленны. [17]
Было также показано, что члены классов Gammaproteobacteria и Flaviobacteria в изобилии присутствуют в ледяной матрице и, таким образом, адаптированы к условиям морского льда. [18] Роды класса Gammaproteobacteria, обнаруженные в море Росса и вокруг вод Антарктики, включают Colwellia , Marionomonas, Pseudoalteromonas и Psychrobacter. [17] [19] Порядки Chlamydiales и Verrucomicrobiales также были обнаружены в микробном сообществе морского льда этих мест. Преобладание Gammaproteobacteria в морском льду по всему миру было отмечено во многих исследованиях. Было показано, что большая часть идентифицированных SIMCO в этих исследованиях принадлежит к филотипам, связанным с гетеротрофными таксонами [20]
Хотя это дает исследователям представление о составе микробного сообщества морского льда Антарктиды, существуют явные сдвиги между местами в Южном океане. Эти сдвиги приписываются биологическим и физическим факторам воздействия. Эти факторы включают состав микробных сообществ на месте в момент образования морского льда, а также региональные погодные и ветровые режимы, влияющие на перенос снега и аэрозолей. [21]
Исследования субъединиц рибосомной РНК 16s, обнаруженных в морском ледяном покрове залива Терра Нова, показали, что археи составляют ≤ 6,6% от общего числа прокариотических сообществ в этой среде. 90,8% этого сообщества архей принадлежали к типу Nitrososphaerota (ранее Thaumarchaeota), близкому родителю морских аммиакокисляющих бактерий, в то время как Euryarchaeota составляли остальную часть сообщества. [17] Другие молекулярно-филогенетические анализы SIMCO не обнаружили никаких следов архейного домена. [20]
Метагеномные исследования арктического морского льда с использованием 454 секвенирования 18S рДНК и 18S рРНК. Эти исследования показали доминирование трех супергрупп: Alveolata, Stramenophile и Rhizaria. Среди Alveolata наиболее распространенными были Ciliates и Dinoflagellates . Внутри группы Stramenophile большинство организмов были классифицированы как Bacillariophyceae . Наконец, большинство Rhizarian были классифицированы как Thecofilosea . [2]
Исследования показали, что в морской ледяной воде были обнаружены высокие концентрации микробного криопротекторного экзополимера (EPS). Было показано, что эти EPS коррелируют со стабильным составом микробного сообщества в течение всего зимнего сезона. [9] Считается, что они играют важную роль в условиях морского льда, где они действуют как буфер и криопротектор против высокой солености и повреждения кристаллами льда. Считается, что эти экзополимеры представляют собой микробную адаптацию к низким температурам в экстремальных условиях. [22]
Микробы морского льда также выработали антифризные белки , которые предотвращают образование кристаллов льда, которые могут повредить бактериальные мембраны. [1] Обычно эти белки богаты бета-слоями, поскольку они предотвращают образование кристаллов льда/ [23]
Бактерии во всех средах вносят вклад в микробную петлю , но роли микробных сообществ морского льда в микробной петле различаются из-за быстро меняющихся условий окружающей среды, обнаруженных в Арктике и Антарктике. Водоросли морского льда вносят 10%–28% от общей первичной продукции в покрытых льдом регионах Антарктики. [24] Микроводоросли являются жизненно важным источником питания для молодого зоопланктона, такого как антарктический криль Euphausia superba зимой. [24] РОВ, полученный из фототрофных микроводорослей, имеет решающее значение для микробной петли, выступая в качестве субстрата для роста гетеротрофных бактерий. [24]
Микробная петля функционирует по-разному в морском льду по сравнению с олиготрофными или умеренными водами. Животные, обитающие в экстремальных полярных средах, зависят от высокой бактериальной продукции как источника пищи, несмотря на медленный оборот РОВ. [25] Микробная продукция аммония в богатых нитратами водах Антарктиды может обеспечить необходимые восстановители для фиксации азота, увеличивая первичную продуктивность фитопланктона, ограниченного светом. [25] Фитофлагелляты и диатомовые водоросли, обитающие в пелагической среде Антарктиды, напрямую усваиваются метозойными травоядными. [25]