Болота — это наземные экосистемы, уровень воды в которых находится на или вблизи поверхности почвы в течение всего вегетационного периода и которые покрыты активной высшей растительностью в период насыщения водой. Еще одно определение характеризует болота как амфибиальные ландшафты с доминированием высшей растительности. Значение слова «амфибия» всем известно. Это организмы, приспособленные к жизни как в воде, так и на суше. То есть обитание в болотах — это нечто среднее между наземным и водным образом жизни.

Характерной особенностью болот является преобладание анаэробных условий и анаэробных процессов с наличием достаточно узкой поверхностной аэробной зоны, населенной аэробными организмами. Процессы разложения органического вещества в болотах идут крайне медленно из-за низких температур, отсутствия кислорода, а также ряда других факторов.

1. Распространенность болот на планете

Площадь болот в мире превышает 5 миллионов квадратных километров. Треть этой территории находится в России, которая занимает первое место в мире по площади болот. В некоторых регионах Западной Сибири болота занимают до 80% территории, а некоторые крупные западносибирские болота имеют такую же площадь, какую имеют небольшие европейские государства. Экосистема эта, таким образом, весьма значима по своим размерам. Большие площади болот есть и в странах Скандинавии, Великобритании, на севере Германии и США, а также в Канаде. Во всех этих странах идет активное изучение болотных экосистем представителями различных дисциплин, в том числе и микробиологами.

Рекомендуем по этой теме:
6515
Микроорганизмы в болотах

Kivinen E., Pakarinen P. Geographical distribution of peat resource and major peatland complex types in the world. Ann. Acad. Sci. Fenn. Ser., 1981, A3 (132), 1-28.

Land resources of Russia. CD-ROM database created by International Institute for Applied Systems Analysis. Russian Academy of Sciences, 2002.

2. Биосферные функции болот

Самая главная функция заключается в том, что болота являются крупнейшим стоком парникового газа CO2. Вследствие низких скоростей процессов деструкции в болотах растительные остатки только частично подвергаются процессам разложения и депонируются в виде торфа. Получается, что тот CO2, который фотосинтезирующие растения в свое время поглотили, не выходит из экосистемы, а остается там депонированным.

Учеными было подсчитано, что если весь ныне депонированный в болотах и торфяниках органический углерод подвергнется процессам минерализации и выйдет в качестве CO2 в атмосферу, то концентрация CO2 в атмосфере возрастет в полтора раза. Конечно, это будет совершенно катастрофическое явление. Таким образом, функция хранилища органического углерода, которую выполняют болота, очень важна.

Gorham E. Northern peatlands: role in carbon cycle and probable responses to climate warming. Ecol. Appl. 1991, 1, 182–195.

Вомперский С. Э., Цыганова О.П., Ковалев А.Г., Глухова Т.В., Валяева Н. А. Заболоченность территории России как фактор связывания атмосферного углерода. Круговорот углерода на территории России. М., 1999. С. 124–145.

В то же время болота являются крупнейшим источником атмосферного метана (CH4), другого активного парникового газа. В болотах метан образуется в результате анаэробной деструкции органического вещества и является конечным продуктом трансформации растительных остатков. Происходит этот процесс в анаэробных слоях болот. Образовавшийся CH4 диффундирует в верхние слои болотного профиля, где он частично может перехватываться метанотрофными бактериями, но какая-то его часть все же попадает в атмосферу.

Рекомендуем по этой теме:
5939
FAQ: Эволюция кооперации

Mattheus E., Fung I. Methane emission from natural wetlands: global distribution, area, and environmental characteristics of sources. Global Biogeochem. Cycles, 1987, 1, 61-86.

Получается, что у болот есть две противоположные функции, связанные с парниковыми газами и глобальными изменениями климата: с одной стороны, они являются стоком CO2, но с другой — крупнейшим источником метана.

Panikov N.S. Fluxes of CO2 and CH4 in high latitude wetlands: measuring, modelling and predicting response to climate change. Polar research, 1999, 18(2), 237-244.

Третья функция болот связана с водным балансом планеты. Болота — это важнейший компонент гидрологической сети и крупнейший резервуар пресных вод. Фактически это огромная, удерживающая воду губка. Истоки всех крупных российских рек находятся на территории крупнейших болотных экосистем, которые выполняют функцию своеобразных водонапорных башен. Эта функция болот особенно важна в странах с равнинным ландшафтом. Так, в тех странах, где есть горы, роль источников пресных вод играют ледники. Но в странах с равнинным ландшафтом такую роль выполняют болота. Поэтому, конечно, болота являются важнейшим компонентом гидрологической сети.

Все вышеперечисленные функции болот очень значимы и делают болота важнейшим компонентом биосферы.

3. Функции микроорганизмов в болотах

Численность микроорганизмов в болотах достигает сотен миллионов клеток в одном грамме торфа. Важнейшие процессы, осуществляемые микроорганизмами, — это разложение органического вещества, метаногенез, окисление метана, азотфиксация, а также разложение соединений фенольной природы, продуцируемых сфагновыми мхами. Последние — это основной компонент растительности верховых болот, которые являются доминирующим типом болот в Северном полушарии.

Bodelier P.L.E., Dedysh S.N. Microbiology of wetlands. Frontiers in Microbiology, 2013, 4:79. doi: 10.3389/fmicb.2013.00079

История изучения микробов в болотах сравнительно невелика, так как первоначальные попытки выделения микроорганизмов из болот с использованием классических микробиологических методов были не слишком успешны. То есть, конечно, какие-то микроорганизмы выделить удавалось, но они составляли не более десятой доли процента всех существующих в болотах микробов. Долгое время микробиологам приходилось мириться с такой ситуацией просто потому, что населяющие болота микробы отказывались расти на традиционных питательных средах, которые микробиологи привыкли использовать для исследования других экосистем.

Dedysh S.N. Cultivating uncultured bacteria from Northern wetlands: knowledge gained and remaining gaps. Frontiers in Microbiology, 2011, 2: 184. doi: 10.3389/fmicb.2011.00184.

4. Молекулярные методы изучения микроорганизмов

С введением в практику молекулярных методов ситуация изменилась. У микробиологов появился инструмент для идентификации микроорганизмов непосредственно в образцах, взятых из болота, путем экстракции ДНК и ее анализа. То есть для того, чтобы исследовать разнообразие населяющих болота микроорганизмов, их не обязательно культивировать. Можно экстрагировать ДНК из исследуемых образцов и провести молекулярный анализ.

Рекомендуем по этой теме:
6937
FAQ: Нанобактерии

Dedysh S.N., Pankratov Т.А., Belova S.Е., Kulichevskaya I.S., Liesack W. Phylogenetic analysis and in situ identification of Bacteria community composition in an acidic Sphagnum peat bog. Appl. Environ. Microbiol. 2006. V. 72. № 3. Р. 2110-2117.

Serkebaeva, Y.M., Kim, Y., Liesack, W., Dedysh, S.N. Pyrosequencing-based assessment of the Bacteria diversity in surface and subsurface peat layers of a northern wetland, with focus on poorly studied phyla and candidate divisions. PLOS ONE. 2013. V. 8. № 5: e63994. doi: 10.1371/journal.pone.0063994

Когда такой молекулярный анализ был произведен, оказалось, что большая часть выявленных в торфе болот нуклеотидных последовательностей принадлежит бактериям совершенно неизвестных групп или групп, о которых известно очень мало. Например, это группы бактерий, в которых есть не более десятка культивируемых представителей, и они до сих пор представляют загадку в отношении функций и метаболического потенциала. Есть там ряд групп-кандидатов, представители которых пока вовсе не попадали в руки микробиологов. Такие группы даже не имеют латинского названия, потому что название дается группе микроорганизмов только тогда, когда в ней имеется хотя бы один культивируемый представитель с изученными свойствами. Соответственно, в болотах живет целый ряд таких групп-кандидатов. Если кому-то из микробиологов удается выделить микроба, представляющего подобную группу-загадку, то это привлекает внимание микробиологов всего мира. Целый ряд интереснейших новых микроорганизмов удалось выделить из северных болотных экосистем.

Dedysh S.N. Cultivating uncultured bacteria from Northern wetlands: knowledge gained and remaining gaps. Frontiers in Microbiology, 2011, 2: 184. doi: 10.3389/fmicb.2011.00184.

Дедыш С. Н., Куличевская И. С. Планктомицеты: загадочные красавцы из мира бактерий. Природа, 2010, № 5, 27-35.

Дедыш С. Н., Серкебаева Ю. М. Ацидобактерии — неизвестные доминанты наземных экосистем. Природа, 2013, № 9, 42-48.

5. Перспективы изучения болотных экосистем и микроорганизмов

Прежде всего это исследование неизвестных или малоизученных групп болотных микроорганизмов и их функций. Например, исключительно важны исследования микроорганизмов, участвующих в цикле метана, таких как метаногены и метанотрофы. В исследованиях этих микроорганизмов пока много неразрешенных вопросов, и над поисками ответов на эти вопросы работают ученые многих стран.

Рекомендуем по этой теме:
29862
5 книг о микробиологии

Если сравнивать с другими экосистемами, микробный мир болот пока остается слабоизученным. Первый метагеном микробного сообщества болот был опубликован совсем недавно, в 2014 году.

Lin X., Tfaily M.M., Green S. J., Steinweg M., Chanton P., Imvittaya A. et al. Microbial metabolic potential for carbon degradation and nutrient (nitrogen and phosphorus) acquisition in an ombrotrophic peatland. Appl. Environ. Microbiol., 2014, 80 (11), 3531-3540.

Метатранскриптомы микробных сообществ болот пока недоступны. В настоящее время идет работа ряда научных коллективов в мире по получению этой информации, но она пока не опубликована, хотя и должна появиться в ближайшее время. Иными словами, по сравнению с почвами или водными экосистемами болота остаются пока более слабоисследованными, хотя их биосферная значимость ни в чем не уступает другим экосистемам.