Основы палеолимнологии. Лекция-5

1. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Содержание
1. Биохимические палео-индикаторы в донных
отложениях (=молекулярные биомаркеры)
Фотопигменты
ДНК микроорганизмов
Углеводороды
2. Магнитные свойства донных отложений
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

2. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Фотосинтетические пигменты в донных отложениях
Хлорофиллы:
Пигменты
Chl a
Chl b
Chl c
Зеленые растения, водоросли, цианобактерии
Бактериохлорофиллы:
Bchl a
Bchl b
Bchl c
Фототрофные бактерии (кроме цианобактерий)
Bchl d
Bchl e
Хл и Бхл относительно быстро разлагаются
в донных отложениях
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

3. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Примеры каротиноидов:
Лютеин
Аллоксантин
Окенон
Изорениерантин
Хлоробактин
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
C40H56O2
C40H52O2
C41H54O2
C40H48
И многие другие

4. Основы палеолимнологии. Лекция-5

1. Аллоксантин (С40Н52О2) – пигмент криптофитовых
водорослей.
2. Лороксантин (С40Н56О3) – зеленые водоросли
(Botryococcus braunii).
3. Лютеин (C40H56O2) – основной пигмент водорослей
и высших растений
4. Зеаксантин(C40H56O2) – пигмент цианобактерий
5. Окенон (C41H54O2) – пурпурные серные бактерии
Выявлены методом высоко-эффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ)
В донных отложениях оз. Шира (Рогозин, Зыков и др., 2011)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

5.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Стандарт окенона,
в ацетонитриле ,
очищен методом ТСХ
Высокоэффективная жидкостная
хроматография Agilent 1200 LC/MC
(США),
Чистая культура
пурпурных серных
бактерий
Thiocapsa sp. Shira_1
Окенон
Из чистой культуры ПСБ был выделен специфический
каротиноид окенон и использован в качестве
Сибирский Федеральный Университет
стандарта при анализе
донных
отложений оз. Шира
Рогозин
Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

6. Хроматограмма экстрактов

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Хроматограмма экстрактов
8,75 мин
Аллоксантин
9,82 мин
Зеаксантин
9,44 мин
Лороксантин
13,05 мин
Trans – окенон
9,63 мин
Лютеин
13,35 мин
Cis – окенон
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
6

7.

мкг г сух. веса
0
250
-1
500 0
мкг г сух. веса
100
-1
200 0
мкг г сух. веса
100
-1
% от сух. веса
отн.единицы
200
0
2000
4000 0
10
20
30 0
-1
мкг г сух. веса
250
500
5
135
1945
Нет данных
265
1628
395
525
1207
655
785
840
Глубина, мм
915
1045
500
1175
РХ
1305
1435
- 500
1565
1695
-1000
1815
1945
2075
2205
Лютеин+
Зеаксантин
Лороксантин
Хл а
Аллоксантин
Органика
-1500
- 2000
Окенон
2335
2465
Окенон
- 2500
Песок
Обнаружено коррелированное неоднородное распределение пигментов оксигенных
фотосинтетиков и окенона в последние ~4500 лет. В отличие от прочих пигментов,
окенон отсутствовал в некоторых слоях
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

8.

Зыков В.В., Рогозин Д.Ю., Калугин И.А., Дарьин А.В., Дегерменджи А.Г.
Сибирский экологический журнал, 2012, № 4, с. 585-595
мкг г сух. веса-1
0
250
Были ПСБ
500
5
Есть 1945
окенон
145
285
Был сероводород
в фотической зоне
a
1628
425
565
705
б
845
840
Глубина, мм
985
500
1125
РХ
1265
1405
-1000
1685
Нет окенона
1815
2095
2235
2375
2515
Была
устойчивая
меромиксия
Не было
ПСБ
- 500
1545
1955
Примерный возраст
1207
-1500
Окенон
- 2000
- 2500
Не было
сероводорода
в фотической
зоне
Не было
меромиксии
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

9.

Пик окенона после
подъема уровня озера
Глубина осадка, мм
0
500
1000
1500
0
500
Керн 2011
1000 0
200 400 600
Керн 2012
0
100
200
300
Период
«усыхания»
озера
Годы
Намораживатель-2013
0
4000
8000 0
20
40
60 15
19
23
0
20
40
2010
2000
1990
60
80
100
120
140
160
1980
1970
1960
1950
1931
1-й "белый" слой
1903
1873
1846
1818
180
200
220
240
260
1789
1760
280
300
320
340
360
380
1733
1705
1676
400
420
440
1648
1620
1592
1563
1535
2-й белый слой
Окенон ,
мкг г-1
Лютеин+
зеаксантин,
мкг г-1
Аллоксантин,
мкг г-1
Лороксантин,
мкг г-1
Хл а ,
отн.ед.
Органика,
% сух. веса
Максимальная
глубина озера,
м
Максимум окенона над «белым слоем» свидетельствует о наиболее
благоприятных условиях для продукции ПСБ в период поднятия уровня
озера (=устойчивая меромиксия)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

10.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Гипотетическая схема связи режима стратификации водной
толщи с экологией фототрофных серных бактерий при
подъеме уровня воды
Мелкое голомиктическое озеро
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

11.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Гипотетическая схема связи режима стратификации водной
толщи с экологией фототрофных серных бактерий при
подъеме уровня воды
Поступление пресной воды
с поверхностным стоком
При повышении уровня за счет поверхностного стока озеро
становится меромиктическим…
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

12.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Гипотетическая схема связи режима стратификации водной
толщи с экологией фототрофных серных бактерий при
подъеме уровня воды
Поступление пресной воды
с поверхностным стоком
… и в нем появляются благоприятные условия для развития
пурпурных серных бактерий: устойчивая редокс-зона,
высокая освещенность в редокс-зоне (пример – оз. Шунет)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

13.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Гипотетическая схема связи режима стратификации водной
толщи с экологией фототрофных серных бактерий при
подъеме уровня воды
При дальнейшем повышении озера стратификация ослабевает,
уменьшается количество света в редокс-зоне, снижается биомасса
пурпурных серных бактерий (пример - современное оз. Шира)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

14. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Каротиноиды фототрофных серных бактерий (окенон,
хлоробактин, изорениерантин) позволяют выявить
периоды присутствия сероводорода в фотической зоне водоема
Можно реконструировать историю стратификации водоема,
также его трофического статуса и т.п.
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

15. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Каротиноиды оксигенных (лютеин, зеаксантин, бета-каротин и
пр.) организмов позволяют выявить периоды
увеличения/уменьшения фотосинтетической продукции озера,
а также соотношение планктонных групп
(зеленые/сине-зеленые)
Пример: при эвтрофикации возрастает доля сине-зеленых водорослей
=> Увеличится отношение зеаксантин/лютеин
Можно реконструировать историю трофического статуса и пр.
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

16. Основы палеолимнологии. Лекция-5

1. Биохимические палео-индикаторы в донных
отложениях
ДНК
На основе анализа ДНК фототрофных
микроорганизмов можно оценить динамику их видового состава,
сравнить с современным составом =>
оценить изменения условий их обитания:
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

17.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Выявление доминирующих бактерий
методом ПЦР фрагментов гена 16SрРНК
Проба
из озера
Выделение бактериальной ДНК
Для эукариотных микроорганизмов
используется ген 18SрРНК
Определяем нуклеотидные
последовательности
=>
Cостав
доминирующих видов
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
ПЦР с
соответствующими
(универсальными или
группо-специфичными)
праймерами
Получаем
молекулы
ДНК гена
16SрРНК

18.

Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет
Окенон
Анализ
пигментного
состава
оз. Шира
Бхл а
Анализ нуклетидной
последовательности гена
16рРНК
0.02
Allochromatium sp. AJ401209
Chromatium minutissimum Y12369
Очистка методом предельных
разведений
Chromatium okenii Y12376
Thiorhodovibrio winogradskyi AB016986
Lamprocystis roseopersicina AJ006063
Amoebobacter purpureus AJ223235
Thiocapsa roseopersicina AF112999
Amoebobacter roseus AJ006062
Культивирование на
жидкой среде
Thiocapsa roseopersicina AF113000
Штамм Thiocapsa sp. Shira_1 (AJ633676 )
Из оз. Шира выделен в чистую культуру и идентифицирован
штамм пурпурных серных бактерий
Thiocapsa sp. Shira_1 (AJ633676) (Chromatiaceae)
Рогозин Д.Ю., Трусова М.Ю., Хромечек Е.Б., Дегерменджи. Микробиология, 2010, Т.
79, № 2, 277-285

19.

Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет
оз. Шунет
Хлоробактин
Бхл d
оз. Шира
Из обоих озер были выделены зеленые серные
бактерии (ЗСБ), содержащие в качестве основных
пигментов бактериохлорофилл d и хлоробактин
Оз. Шира – штамм ShCl03 (EF153291), близкий к Chlorobium limicola
Оз. Шунет – штамм ShNPel02 (EF149016), близкий к Prosthecochloris
vibrioformis
Лунина, О.Н., Брянцева И.А., В.Н. Акимов, И.И. Русанов, Е.А. Баринова, А.М.
Лысенко, Д.Ю. Рогозин, Н.В. Пименов Микробиология, 2007, т. 76, № 4. стр.
533-544.
Лунина, О.Н., Брянцева И.А., В.Н. Акимов, И.И. Русанов, Д.Ю. Рогозин,
Е.А. Баринова, Н.В. Пименов Микробиология,
2007, т. 76, № 3. стр. 416-428.

20.

Пространственные распределения фототрофных серных
бактерий в озере Шунет
оз. Шунет
Кислород
ПСБ
ЗСБ
Сероводород
Рогозин Д.Ю., Пименов Н.В., Косолапов Д.Б.,
Чаньковская Ю.В., Дегерменджи А.Г.
Доклады АН, 2005, т. 400, № 3, стр. 426-429.
Лунина, О.Н., Брянцева И.А., В.Н. Акимов, И.И. Русанов,
Д.Ю. Рогозин, Е.А. Баринова, Н.В. Пименов Микробиология,
2007, т. 76, № 3. стр. 416-428.

21.

Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет
Май
Июль
оз.Шира
Сентябрь июль
Хлоропласты криптомонад
неидентифицировано
Pseudoalteromonas
Synechococcous
Halomonas
Thiocapsa sp. Shira_1
5.1 5.05
5.0 4.95
4.8
5.2 5.15
5.1 5.05 4.9 5.25
5.2 5.15
5.1
Глубина, м
Методом ПЦР-ДГГЭ показано, что в обоих озерах
доминируют ПСБ Thiocapsa sp. Shira_1
Рогозин Д.Ю., Трусова М.Ю., Хромечек Е.Б., Дегерменджи. Микробиология, 2010, Т.
79, № 2, 277-285

22.

Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет методом ПЦР-ДГГЭ
оз.Шира
июль
Май
Июль
Сентябрь
Хлоропласты криптомонад
Дельта-протеобактерии
Зеленые серные бактерии
неидентифицировано
Pseudoalteromonas
Synechococcous
Halomonas
5.1
5.05
04
5.0
4.95
4.8
5.2
5.15
Глубина, м
5.1
5.05
5.25
5.2
5.15
5.1
1. В оз. Шира ЗСБ являются минорной группой
2. В оз. Шунет ЗСБ достигают максимума глубже
ПСБ
Рогозин Д.Ю., Трусова М.Ю., Хромечек Е.Б., Дегерменджи. Микробиология, 2010, Т. 79,
№ 2, 277-285

23. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Например:
Соотношение пурпурных серных бактерий (ПСБ)
и зеленых серных бактерий (ЗСБ) может свидетельствовать об изменении
глубины хемоклина: ЗСБ более тенелюбивы,
устойчивости меромиксии : ПСБ более толерантны к кислороду
В общем случае интерпретировать сложно, необходимо учитывать
особенности экологии бактерий в каждом водоеме!
ДНК гетеротрофных бактерий интерпретировать сложно, т.к. их возраст
может не соответствовать возрасту отложений!
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

24. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Липиды
Длинноцепочечные алкеноны: липиды С36 – С42
Me- и Et – метил- и этил-кетоны
Продуценты – гаптофитовые водоросли (Haptophyta)
В океане это два космополитичных вида
Emiliania huxleyi и Gephyrocapsa oceanica
В солоноватых и соленых озерах это много видов семейства
Isochrysidaceae, поэтому затруднена интерпретация («species effect»),
В пресных – меньше видов, поэтому интерпретация надежнее
Показано, что степень насыщенности С37 – алкенонов зависит от средней
температуры воды, при которой они синтезировались
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

25. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Липиды в донных отложениях
Анализ методом газовой хроматографии
с масс-спектрометрическим детектором (GC-MS)
U37K индекс ненасыщенности, коррелирует с SST
(sea surface temperature) (Longo et al., 2013)
K
U37 =
C37:2 - C37:4
C37:2 + C37:3 + C37:4
Показано, что степень ненасыщенности С37 – алкенонов зависит от
средней температуры воды, при которой они синтезировались
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

26. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Липиды в донных отложениях
Существуют липиды С25 продуцируемые
морскими подледными диатомовыми. Эти
липиды являются индикаторами ледовой
обстановки (IP25 – ice proxy)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

27. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Магнитные свойства донных отложений
В донных отложениях содержатся минералы,
обладающие магнитными свойствами
Low frequency magnetic susceptibility (магнитная восприимчивость,
XLF)
Остаточные намагниченности:
Natural remanent magnetization (NRM)
Saturation isothermal remanent magnetization (SIRM)
Isothermal remanent magnetization (IRM)
Anhisteric remanent magnetization (ARM)
Профиль магнитной восприимчивости используется для сопоставления
разных кернов
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

28.

S = IRM/SIRM – отражает структуру магнитных частиц
XLF/SIRM – отражает размер магнитных частиц
Q = NRM/(XLF×H), где H – магнитное поле Земли
Q < 1 – детритное (биогенное) происхождение
Q > 1 – хемогенное происхождение

29. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Магнитные свойства донных отложений
Происхождение магнетита Fe3O4 может быть как чисто геологическим
(если горные породы в водосборном бассейне содержат магнетит),
так и биогенным
Биогенный магнетит– однодоменные частицы
размером около 50 нм
Продуцентами биогенного магнетита в отложениях являются
магнитотактические бактерии, синтезирующие однодоменные
наноразмерные частицы магнетита в составе внутриклеточных
включений – магнитосом.
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

30. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Магнитотактические бактерии
Blakemore, R. P. Magnetotactic bacteria. Science 190,
377–379 (1975). – первое описание магнитотаксиса у бактерий
Гетерогенная группа, не имеющая общего таксономического положения
Общее:
Клетки грам-отрицательные Bacteria, подвижные, передвигаются
с помощью жгутиков,
Облигатные микроаэрофилы или анаэробы
(=требуются малые концентрации кислорода)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

31.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Плотность, г/л
Глубина
O2
Н2S
Сероводород
Населяют редокс-зону (oxic-anoxic interface)
стратифицированных водоемов
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

32.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Chemical stratification of Shira Lake water column
in July 2002
Oxygen, Sulfide mg/l
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
Depth, m
5
O2
10
Oxygen July 2002
Chemocline
15
H2S
20
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Sulfide July 2002

33. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Магнитные свойства донных отложений
Биогенный магнетит– однодоменные частицы
размером около 50 нм
Bazylinski, Frankel, 2004
50 нм
Продуцентами биогенного магнетита в отложениях являются
магнитотактические бактерии, синтезирующие однодоменные
наноразмерные частицы магнетита в составе внутриклеточных
включений – магнитосом.
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

34.

35. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Магнитное поле Земли
http://yandex.ru
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

36. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Северное полушарие
O2
Магнито-аэротаксис
Южное полушарие
O2
Магнитосома
= магнитный диполь
Редокс-зона
H2S
H2S
Bazylinski, Frankel, 2004
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

37. Основы палеолимнологии. Лекция-5

Оз. Шира
MS, эме/г
Магнитные свойства
Снижается количество
биогенного магнетита
в донных отложениях
=
Признак исчезновения редоксзоны (?)
Глубина отложений, мм
0
0.05
0.1
0
20
40
60 15 17 19 21 23 25
Годы
60
1980
80
1970
100
1960
120
1950
140
1931
Карбонатный слой
160
1903
180
1873
200
1846
220
1818
240
1789
260
1760
280
1733
300
1705
320
1676
340
1648
1620
360
0
0.005
0.01
MR (300K), эме/г
Органика*,
% сух. веса
Максимальная
глубина озера,
м
Рогозин, Балаев, Семенов,Шайхутдинов, Баюков, ДАН, 2016
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016