Исследование связи микробиологических факторов с распределением аномальных полей метана и наличием залежей газовых гидратов на примере двух акваторий северной части Японского моря

Рассмотрены возможности использования микроорганизмов в качестве биоиндикаторов метановых экосистем в местах залегания газовых гидратов. Проведено исследование биоразнообразия микроорганизмов, и определены физиологические и биохимические свойства бактериальных штаммов, способных к окислению углеводородов, выделенных из донных отложений северной части Японского моря для двух районов: с обнаруженными газовыми гидратами (район 1) и без присутствия газовых гидратов (район 2). Комплексные газогеохимические, геологические и микробиологические исследования проведены на акватории северной части Японского моря – южной части Татарского пролива, и северного склона Приморского края.

Использованы материалы морских экспедиций: НИС «Академик Опарин» № 54 (OP54, сентябрь – октябрь 2017 г.) и НИС «Академик М.А. Лаврентьев» № 81 (LV81, май 2018 г.). Используя методы культивирования, выявлено, что представители семейства Nocardiaceae типа Actinomycetota привязаны к местам обнаружения газовых гидратов. Показано, что бактерии, выделенные из района с обнаруженными газовыми гидратами, проявляли способность ферментировать более широкий спектр углеводных субстратов по сравнению с культурами, полученными из негазогидратного района. Отмечена положительная корреляция между способностью к деструкции карбоновых кислот и отсутствием газогидратов.

1. Балданова К.О., Григоров Р.А., Еськова А.И., Калгин В.Ю., Максеев Д.С., Обжиров А.И., Окулов А.К., Полоник Н.С., Пономарева А.Л., Сырбу Н.С., Шакиров Р.Б., Легкодимов А.А. (2022). Нефтеокисляющие бактерии донных отложений северной части Японского моря. Роспатент. Свидетельство № 2022621781 от 20.07.2022.

2. Богатыренко Е.А., Ким А.В., Дункай Т.И., Пономарева А.Л., Еськова А.И., Сидоренко М.Л., Окулов А.К. (2021). Таксономическое разнообразие культивируемых углеводородокисляющих бактерий в Японском море. Биология моря, 47(3), с. 209–216. https://doi.org/10.31857/S0134347521030037

3. Бузолева Л.С., Смирнова М.А., Безвербная И.П. (2008). Биологические свойства морских нефтеуглеводородокисляющих бактерий из прибрежных акваторий дальневосточных морей с разным характером загрязнения. Известия ТИНРО, 155, с. 210–218.

4. Жаров А.Э., Кириллова Г.Л., Маргулис Л.С., Чуйко Л.С., Куделькин В.В., Варнавский В.Г., Гагаев В.Н. (2004). Геология, геодинамика и перспективы нефтегазоносности осадочных бассейнов Татарского пролива. Владивосток: ДВО РАН, 220 с.

5. Гресов А.И., Яцук А.В. (2021). Геологические условия формирования газонасыщенности донных отложений осадочных бассейнов юговосточного сектора Восточно-Сибирского моря. Геология и геофизика, 2, с. 197–215.

6. Жемчугова Т.А. (2013). Нефтегазоносный потенциал кайнозойских отложений в центральной части Татарского пролива. Вестник Московского университета. Серия 4: Геология, 2, с. 69–75.

7. Лабинская А.С., Блинкова Л.П., Ещина А.С. (2005). Частная медицинская микробиология с техникой микробиологических исследований. М.: Медицина, 616 с.

8. Нетрусов А.И., Егорова М.А., Захарчук Л.М. (2005). Практикум по микробиологии. М.: Изд–во «Академия», 608 с.

9. Нечаюк А.Е. (2017). Геологическое строение и динамика формирования осадочных бассейнов Татарского пролива и западного Сахалина. Дисс. кандидата геол.-минерал. наук. Владивосток, 99 с.

10. Обжиров А.И. (1993). Газогеохимические поля придонного слоя морей и океанов. М.: Наука, 139 с.

11. Пономарева А.Л., Полоник Н.С., Еськова А.И., Григоров Р.А., Хокканен С.Н., Сырбу Н.С., Обжиров А.И., Шакиров Р.Б., Легкодимов А.А. (2022). Степень деструкции и индексов биодеградации углеводородов штаммами, выделенными из северной части Японского моря в аэробных и анаэробных условиях. Роспатент. Свидетельство № 2022623218 от 05.12.2022.

12. Репина (Смирнова) М.А. (2009). Нефтеуглеводородокисляющие микроорганизмы прибрежных вод юга острова Сахалин. Дисс. канд. биол. наук. Владивосток, 149 с. Старобинец И.С., Петухов А.В., Зубайраев С.Л. и др. (1993). Основы теории геохимических полей углеводородных скоплений. M.: Недра, 332 с.

13. Харахинов В.В. (2010). Нефтегазовая геология Сахалинского региона. М.: Научный мир, 276 с.

14. Шакиров Р.Б., Сорочинская А.В., Яцук А.В., Аксентов К.И., Карабцов А.А., Вовна В.И., Осьмушко И.С., Короченцев В.В. (2020). Икаит в зоне метановой аномалии на континентальном склоне Японского моря. Вестн. КРАУНЦ, 2(46), с. 72–84.

15. Шакиров Р.Б., Сырбу Н.С., Обжиров А.И. (2016). Распределение гелия и водорода в отложениях и воде на склоне о. Сахалин. Литология и полезные ископаемые, 1, с. 68–81. https://doi.org/10.7868/S0024497X16010067

16. Шакиров Р.Б., Яцук А.В., Сорочинская А.В., Аксентов К.И., Максеев Д.С. (2023). Газогеохимические аномалии в осадках Татарского трога (Японское море). Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 513(2), с. 271–277. doi: 10.31857/S2686739723601540

17. Шапошников Г.Н., Александров Г.П., Егоров С.В., Ильин К.Б., Соловьев В.В., Стрельников С.И. (1994). Государственная геологическая карта. М-б 1: 1 000 000 (новая серия). Лист L-(53), (54) – Кавалерово. Объяснительная записка. СПб: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 176 с.

18. Якимов Т.С., Шакиров Р.Б., Сырбу Н.С., Холмогоров А.О., Сорочинская А.В. (2023). Проявления аутигенной минерализации вдоль континентального склона Японского моря и в Татарском проливе (материалы 61 рейса НИС «Академик Опарин»). Тихоокеанская геология, 42(4), с. 101–114. DOI: 10.30911/0207-4028-2023-42-4-101-114

19. Ashelford K.E., Chuzhanova N.A., Fry J.C., Jones A.J., Weinghtman A.J. (2005). At least 1 in 20 16S rRNA sequence records currently held in public repositories is estimated to contain substantial anomalies. Appl. Environ. Microbiol., 71(12), pp. 7724–7736. https://doi.org/10.1128/AEM.71.12.7724-7736.2005

20. Abrams M.A. (2017). Evaluation of Near-Surface Gases in Marine Sediments to Assess Subsurface Petroleum Gas Generation and Entrapment. Geosciences, 7. pp. 29–35. https://doi.org/10.3390/geosciences7020035

21. Briggs B.R., Inagaki F., Morono Y., Futagami T., Huguet C., RosellMele A., et al. (2012). Bacterial dominance in subseafloor sediments characterized by methane hydrates. FEMS Microbiol. Ecol., 81, pp. 88–98. doi: 10.1111/j.1574-6941.2012.01311.x

22. Carrier V., Svenning M.M., Grundger F., Niemann H., Dessandier P.-A., Panieri G., et al. (2020). The impact of methane on microbial communities at marine Arctic gas hydrate bearing sediment. Front. Microbiol., 11:1932. doi: 10.3389/fmicb.2020.01932

23. Cho H., Hyun J.-H., You O.-R., Kim M., Kim S.-H., Choi D.-L., et al. (2017). Microbial community structure associated with biogeochemical processes in the sulfate–methane transition zone (SMTZ) of gas-hydratebearing sediment of the Ulleung Basin, East Sea. Geomicrobiol. J., 34, pp. 207–219. doi: 10.1080/01490451.2016.1159767

24. Ciobanu M.–C., Burgaud G., Dufresne A., Breuker A., Rédou V., Ben Maamar S., Gaboyer F. (2014). Microorganisms persist at record depths in the subseafloor of the Canterbury Basin. ISME J., 8(7), pp.2352–2352. https://doi.org/10.1038/ismej.2014.110

25. Collett T., Johnson A., Knapp C., Boswell R. (2009). Natural Gas Hydrates: Energy Resource Potential and Associated Geologic Hazards; American Association of Petroleum Geologists: Tulsa, USA, p. 145.

26. Cui H., Su X., Chen F., Holland M., Yang S., Liang J., et al. (2019). Microbial diversity of two cold seep systems in gas hydrate-bearing sediments in the South China Sea. Mar. Environ. Res., 144, pp. 230–239. doi: 10.1016/j.marenvres.2019.01.009

27. Cui H., Su X., Liang J., Chen F., Holland M., Yang S., et al. (2020). Microbial diversity in fracture and pore filling gas hydrate-bearing sediments at site GMGS2-16 in the Pearl River Mouth Basin, the South China Sea. Mar. Geol., 427, 106264. doi: 10.1016/j.margeo.2020.106264

28. Hovland M., Croker P.F., Martin M. (1994). Fault—Associated seabed mounds (carbonate knolls?) off western Ireland and north-west Australia. Mar. Pet. Geol., 11, pp. 232–246. https://doi.org/10.1016/0264-8172(94)90099-X

29. Jiao L., Su X., Wang Y., Jiang H., Zhang Y., and Chen F. (2015). Microbial diversity in the hydrate-containing and-free surface sediments in the Shenhu area, South China. Geosci. Front., 6, pp. 627–633. doi: 10.1016/j.gsf.2014.04.007

30. Jin Y.K., Shoji H., Obzhirov A., Baranov B. (2013) Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project 2012, R/V Akademik M.A. Lavrentyev Cruise 59; Korea Polar Research Institute: Incheon, Republic of Korea, p.163.

31. Katayama T., Yoshioka H., Kaneko M., Amo M., Fujii T., Takahashi H. A., et al. (2022). Cultivation and biogeochemical analyses reveal insights into methanogenesis in deep subseafloor sediment at a biogenic gas hydrate site. ISME J., 16, 1464–1472. doi: 10.1038/s41396-021-01175-7

32. Katayama T., Yoshioka H., Takahashi H. A., Amo M., Fujii T., and Sakata S. (2016). Changes in microbial communities associated with gas hydrates in subseafloor sediments from the Nankai trough. FEMS Microbiol. Ecol., 92, fiw093. doi: 10.1093/femsec/fiw093

33. Lee J.-W., Kwon K. K., Aziz A., Oh H.-M., Kim W., Bahk J.-J., et al. (2013). Microbial community structures of methane hydrate-bearing sediments in the Ulleung Basin, East Sea of Korea. Mar. Pet. Geol., 47, pp. 136–146. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2013.06.002

34. Liu S, Yu S, Lu X, Yang H, Li Y, Xu X, Lu H and Fang Y. (2022). Microbial communities associated with thermogenic gas hydrate-bearing marine sediments in Qiongdongnan Basin, South China Sea. Front. Microbiol., 13:1032851. doi: 10.3389/fmicb.2022.1032851

35. Matsui K., Ishii N, Kawabata Z. (2003). Microbial interactions affecting the natural transformation of Bacillus subtilis in a modelaquatic ecosystem. FEMS Microbiol Ecol.,45(3). https://doi.org/10.1016/ S0168-6496(03)00148-X

36. Marmur J. (1961). A procedure for the isolation of deoxyribonucleic acid from microorganisms. Journal of Molecular Biology, 3, pp. 208–218. https:// doi.org/10.1016/S0022-2836(61)80047-8

37. Mills H. J., Martinez R. J., Story S., Sobecky P. A. (2005). Characterization of microbial community structure in Gulf of Mexico gas hydrates: comparative analysis of DNA-and RNA-derived clone libraries. Appl. Environ. Microbiol., 71, 3235–3247. doi: 10.1128/AEM.71.6.3235-3247.2005

38. Minami H., Jin Y.K., Baranov B., Nikolaeva N., Obzhirov A. (2016). Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project II, 2015, R/V Akademik M.A. Lavrentyev Cruise 70; Kitami Institute of Technology: Kitami, Japan, pp. 119.

39. Ryu B.-J., Collett T. S., Riedel M., Kim G. Y., Chun J.-H., Bahk J.-J., et al. (2013). Scientific results of the second gas hydrate drilling expedition in the Ulleung Basin (UBGH2). Mar. Pet. Geol., 47, pp. 1–20. doi: 10.1016/j.marpetgeo.2013.07.007

40. Romanenko L.A., Schumann P., Zhukova N.V., Rohde M., Mikhailov V.V., Stackebrandt, E. (2003). Oceanisphaera litoralis gen. nov., sp. nov., a novel halophilic bacterium from marine bottom sediments. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 53, pp. 1885–1888. https://doi.org/10.1099/ijs.0.02774-0

41. Romanenko LA, Lysenko AM, Rohde M, Mikhailov VV, Stackebrandt E. (2004). Psychrobacter maritimus sp. nov. and Psychrobacter arenosus sp. nov., isolated from coastal sea ice and sediments of the Sea of Japan. Int J Syst Evol Microbiol., 54(Pt 5), pp. 1741–1745. doi: 10.1099/ijs.0.63096-0

42. Schoell M. (1988). Multiple origins of methane in the earth. Chem. Geol., 71, pp.1–10. doi: 10.1016/0009-2541(88)90101-5 Seki T., Matsumoto A., Omura S., Takahashi Y. (2015). Distribution and isolation of strains belonging to the order Solirubrobacterales. The Journal of Antibiotics, 68, pp. 763–766. https://doi.org/10.1038/ja.2015.67

43. Shoji H., Jin Y.K., Baranov B., Nikolaeva N., Obzhirov A. (2014). Operation Report of Sakhalin Slope Gas Hydrate Project II, 2013, R/V Akademik M.A. Lavrentyev Cruise 62; Environmental and Energy Resources Research Center, Kitami University: Kitami, Japan, p. 110.

44. Syrbu N., Kholmogorov A., Stepochkin I., Lobanov V., Shkorba S. (2024). Formation of Abnormal Gas-Geochemical Fields and Dissolved Gases Transport at the Shallow Northeastern Shelf of Sakhalin Island in Warm Season: Expedition Data and Remote Sensing. Water, 16, 1434. https://doi.org/10.3390/w16101434

45. Syrbu N.S., Snyder G.T., Shakirov R.B., Kholmogorov A.O., Zharkov R.V., Tsunogai U. (2022). Geochemical distribution of helium, hydrogen, carbon dioxide, and methane in Sakhalin Island mud volcanoes, hot springs, and cold seeps. J. Volcanol. Geotherm. Res., 431, 107667. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2022.107667

46. Walsh E. A., Kirkpatrick B., Pockalny R. (2016). Relationship of bacterial richness to organic degradation rate and sediment age in subseafloor sediment. Applied and Environmental Microbiology, 8 (16), pp. 4994–4999. https://doi.org/10.1128/AEM.00809-16

47. Whiticar M. J. (1999). Carbon and hydrogen isotope systematics of bacterial formation and oxidation of methane. Chem. Geol., 161, pp. 291–314. doi: 10.1016/S0009-2541(99)00092-3

48. Wiessenburg D.A., Guinasso N.L. (1979). Equilibrium solubility of methane, carbon dioxide, and hydrogen in water and sea water. J. Chem. Eng. Data, 24(4), pp. 356–360. https://doi.org/10.1021/je60083a006

49. Wuebbles D. J., Hayhoe K. (2002). Atmospheric methane and global change. Earth Sci. Rev., 57, pp. 177–210. doi: 10.1016/S0012-8252(01)00062-9

50. Yamamoto S., Alcauskas J.B., Crozier T.E. (1976). Solubility of methane in distilled water and seawater. J.Chem. Engineering Data, 21(1), pp. 78–80. https://doi.org/10.1021/je60068a029

51. Yanagawa K., Kouduka M., Nakamura Y., Hachikubo A., Tomaru H., Suzuki Y. (2014). Distinct microbial communities thriving in gas hydrateassociated sediments from the eastern Japan Sea. J. Asian Earth Sci., 90, pp. 243–249. doi: 10.1016/j.jseaes.2013.10.019