Contact Us
Суша

Интродукция неместных микроорганизмов: какую опасность они представляют для экосистем Антарктики?

Don Cowan (1), Kevin Hughes (2), Stephen Pointing (3), Gabriela Mataloni (4), Jenny Blamey (5), Weidong Kong (6)

(1) University of Pretoria, Hatfield, Pretoria, South Africa. don.cowan[at]up.ac.za.
(2) British Antarctic Survey, Cambridge, United Kingdom
(3) Yale-NUS College, Singapore
(4) Universidad Nacional de General San Martín, Buenos Aires, Argentina
(5) Biociencia Fundación Científica y Cultural, Ñuñoa, Santiago, Chile
(6) Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

Биоразнообразие и первозданные ценности Антарктики потенциально находятся под угрозой интродукции неместных видов, привнесённых из ряда источников, в том числе в результате человеческой деятельности. В то время как уже существуют средства контроля интродукции растений и беспозвоночных, пока ещё уделяется ограниченное внимание микроорганизмам, которые составляют значительную часть наземной биомассы Антарктики и в высокой степени подвержены рассеиванию. Недостаток информации и возможное воздействие в условиях потепления климата указывают на то, что данному вопросу следует отдать более высокий научно-исследовательский приоритет, в частности в свободных ото льда районах, в которых отмечается более обширная среда обитания микроорганизмов для колонизации.

Микроорганизмы, в том числе бактерии, археи, водоросли, грибки, вирусы и микроэукариоты, обычно составляют большую часть биомассы и биоразнообразия наземных и пресноводных экосистем Антарктики, в особенности климатически жёстких сред обитания, в которых высшие организмы не могут выжить1. Градиенты почвы и химия, разные геологические субстраты, ветровой режим и выпадение осадков образуют сложное взаимодействие, формируя мозаику особых сообществ по всему континенту2. Относительная простота наземных экосистем Антарктики делает их особо ценными с научной точки зрения для понимания более сложных систем, существующих в других регионах земного шара.  Методы молекулярной биологии показали наличие многочисленных эндемичных видов в Антарктике (см., например: 3), которые являются потенциальным источником новых генов, генетических продуктов и соединений4. Здесь мы рассматриваем как актуальность, так и практические вопросы касательно важности будущего предотвращения интродукции микроорганизм или перераспределения микроорганизмов в окружающей среде Антарктики.

Внедряющиеся виды микроорганизмов: степень изученности

Чужеродные микроорганизмы, а также споры и другие пропагулы, прикреплённые к частицам пыли и аэрозолей, постоянно высеваются в континентальных (и морских) системах Антарктики5,6.  Перемещение видов животных, в том числе людей, в Антарктику и субантарктическую зону может облегчить перенос микроорганизмов из более низких широт7. Анализ фотоавтотрофной биогеографии Антарктики выявил, что, в то время как изменения климата разрушали физические барьеры распространения видов растений в Антарктике, временные, микроклиматические и эволюционные движущие силы остались существенными факторами ограничения инвазивной колонизации фотоавтотрофными бактериями и водорослями8. В условиях отсутствия человеческой деятельности эти механизмы предположительно проявляли активность на протяжении всей продолжительности существования континента в его полярном положении, изменяясь в зависимости от перемен в макроклиматических условиях.

На протяжении последнего столетия всё возрастающее присутствие человека на континенте и в окружающих его океанах в неподдающейся количественному исчислению степени приумножило перенос чужеродных микроорганизмов в Антарктический регион.  Выбросы неочищенных канализационных вод с сопутствующими чужеродными микроорганизмами являются источником интродукции видов в морскую среду на территориях, прилегающих к некоторым антарктическим научно-исследовательским станциям, в то время как отходы жизнедеятельности человека по-прежнему присутствуют в некоторых прибрежных и внутриматериковых районах9,10,11. Кроме того, молекулярные биологические исследования переноса микроорганизмов по воздуху выявили потенциальное распространение ряда антропогенных микроорганизмов с отдельной антарктической научно-исследовательской станции12, а в результате научно-исследовательской деятельности происходит неизбежное распространение микроорганизмов, переносимых человеком, в отдалённые районы, исключительно из-за присутствия в них людей13.

Пока ещё нет достоверных количественных данных касательно доли «естественного» или антропогенного поступления микроорганизмов на антарктический континент или на прилегающие к нему территории. Первоначальная попытка провести количественную оценку воздействия отдельных видов человеческой деятельности13 была недостаточно продуманной, однако дала основания предполагать, что человеческая деятельность на отдельных участках с высоким уровнем воздействия (например, на территории полевых лагерей в свободных ото льда районах) может привнести чужеродный клеточный материал в пределах того же порядка, что и неизменная биомасса местных микроорганизмов.  Последствия такого загрязнения недостаточно понятны, однако они могут привести к появлению длительных молекулярных сигналов, связанных с чужеродными микроорганизмами.

Антропогенные механизмы переноса; внутри- и межконтинентальные

Почва может служить источником разнообразных микроорганизмов, а интродукция и перемещение почв между свободными ото льда районами может привести к переносу микроорганизмов.  Согласно Протоколу по охране окружающей среды к Договору об Антарктике (Приложение II – Сохранение антарктической фауны и флоры), необходимо в максимально возможной степени избегать интродукции нестерильной почвы и предпринимать меры по предотвращению интродукции неместных микроорганизмов.  Тем не менее, возможна случайная интродукция неантарктической почвы, принесённой вместе с ввозимыми для потребления людьми корнеплодами, а также с грузами или оборудованием14,15.  Ранее интродукция неантарктической почвы для трансплантационных экспериментов и в садоводческих целях привела к появлению на некоторых участках неместных видов растений и беспозвоночных, при этом существует вероятность одновременной интродукции неместных микроорганизмов16.

Были определены уникальные биогеографические регионы Антарктики для макроскопических видов, при этом существуют доказательства аналогичных или ещё больших географических различий в биоразнообразии микроорганизмов17.  Количественная оценка уровней обмена микроорганизмами между отдельными районами не проводилась, однако районы с обширными сплошными участками свободной ото льда почвы, такие как Сухие долины Мак-Мёрдо, могут подвергаться особой опасности11. Непрекращающееся расширение следов человеческой деятельности в Антарктике приводит к тому, что количество районов, которые ранее считались первозданной средой обитания и в которых могут в полной мере использоваться более тщательно разработанные передовые методы научных исследований, продолжит сокращаться4.

В то время как распространение микроорганизмов в значительной степени связано со случайными событиями местного масштаба (штормами), существует необходимость в проведении более обширного анализа ветра с обратной траекторией в сочетании с массивным упорядочиванием аэрозольных бактериальных сообществ в более широких диапазонах высот для усовершенствования нашего понимания качественных и количественных характеристик внутри- и межконтинентальных механизмов переноса6.

Факторы риска

Недостаток исследований затрудняет прогнозирование воздействия или количественную оценку факторов риска интродукции неместных микроорганизмов.  Тем не менее, существует три основных проблемных аспекта:

1) Интродукция новых и агрессивных видов может привести к изменениям в структуре сообщества микроорганизмов и значительной утрате биоразнообразия (несмотря на то, что большинство интродуцированных видов из более низких широт скорее всего не смогут эффективно функционировать в сложившихся климатических условиях Антарктики).

2) Нарушение переплетения микроорганизмов может привести к необратимым изменениям в биогеохимических путях распространения с возникновением последствий для круговорота питательных веществ и функций экосистем18.

3) Интродукция антибиотикоустойчивых генов может иметь непредвиденные последствия, а интродуцированные патогенные микроорганизмы могут стать причиной заболеваний среди диких животных, однако о доле поступления вызывающих заболевания микроорганизмов по естественным каналам, например, с залётными птицами, известно немного7.

На сегодняшний день имеется очень мало информации об интродукции микроорганизмов в поверхностные пресноводные водоёмы или в морскую среду, однако методам предотвращения интродукции микроорганизмов в подледниковые водоёмы было уделено значительное внимание, например, в Кодексе поведения при проведении исследований подледниковой водной среды, разработанном СКАР19.

Существует несколько очевидных возможных мер по снижению уровня воздействия, однако их реализация представляет определённую сложность.  Уровень воздействия человеческой деятельности можно было бы существенно снизить путём реализации жёстких мер по обеспечению биологической безопасности (например, обязательное ношение туристами и наземными антарктическими исследователями защитной одежды), как это рекомендуется в некоторых особых районах и при определённых обстоятельствах в Кодексе поведения при осуществлении деятельности на наземных участках геотермальной активности в Антарктике, разработанном СКАР (XXXIX КСДА, Рабочий документ WP23). За исключением очень специфических участков эта рекомендация выглядит весьма малоприемлемой и практически невыполнимой. Однако основной причиной проявления осторожности в настоящее время является отсутствие данных по относительному поступлению чужеродных микроорганизмов из «естественных» процессов и в результате антропогенной деятельности, будь то в качественном (какие организмы?) или количественном (сколько их?) выражении. Если число первых на порядок больше, чем последних, то меры по снижению уровня антропогенного воздействия могу быть неадекватными.

Как и в других областях, срочно необходимы данные по (i) точным механизмам поступления чужеродных микроорганизмов в экосистемы Антарктики (ii) показателям этих поступлений.  Только с помощью этих данных будет проведена строгая оценка важности этого вопроса. Недавно сформированная группа СКАР «Аэробиология в Антарктике», должна разработать общеконтинентальную динамическую аэробиологическую карту, которая, в случае оказания поддержки путём проведения количественной оценки биомассы, позволит вычислить реалистичные показатели поступлений микроорганизмов в окружающую среду Антарктики по воздуху20.

Other information:

1. D.A. Cowan (ed). Antarctic terrestrial microbiology – physical and biological properties of Antarctic soils. Springer, Heidelberg. (2014). LINK
2. E.R. Sokol, C.W. Herbold, C.K. Lee et al. Local and regional influences over soil microbial metacommunities in the Transantarctic Mountains. Ecosphere 4 (2013). doi: 10.1890/ES13-00136.1
3. S.B. Pointing, Y. Chan, D.C. Lacap, Lau MCY, J. Jurgens, R.L. Farrell. Highly specialized microbial diversity in hyper-arid polar desert. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 106, 19964-19969. (2009). doi: 10.1073/pnas.0908274106
4. K.A. Hughes, D.A. Cowan, A. Wilmotte. Protection of Antarctic microbial communities – ‘Out of sight, out of mind’. Frontiers in Microbiology. 6pp. (2015). doi: 10.3389/fmicb.2015.00151
5. D.A. Pearce, P.D. Bridge, K. Hughes, B. Sattler, R. Psenner, N.J. Russell. Microorganisms in the atmosphere over Antarctica. FEMS Microbiology Ecology 69, 143-157. (2009). doi: 10.1111/j.1574-6941.2009.00706
6. E.M. Bottos, A.C. Woo, P. Zawar-Reza, S.B. Pointing, S.C. Cary. Airborne bacterial populations above desert soils of the McMurdo Dry Valleys, Antarctica. Microbial Ecology 67, 120-128. (2014). doi: 10.1007/s00248-013-0296
7. K.R. Kerry, M. Riddle (eds). Health of Antarctic Wildlife. Springer, Berlin & Heidelberg. (2009). LINK
8. S.B. Pointing, B. Budel, P. Convey, L.N. Gillman, C. Korner, S.L. Leuzinger, W.F. Vincent. Biogeography of photoautotrophs in the high polar biome. Frontiers in Plant Science 11. (2015). doi: 10.3389/fpls.2015.00692
9. M.A. Connor. Wastewater treatment in Antarctica. Polar Record 44, 165-171. (2008). doi:10.1017/S003224740700719X
10. K.A. Hughes, S. Nobbs. Long-term survival of human faecal microorganisms on the Antarctic Peninsula. AntarcticScience 16, 293-297. (2004). doi: 10.1017/S095410200400210X
11. D.A. Cowan, L. Chown, P. Convey, M. Tuffin, K.A. Hughes, S. Pointing, W.F. Vincent. Non-indigenous microorganisms in the Antarctic — assessing the risks. Trends in Microbiology 19, 540-548. (2011). doi: 10.1016/j.tim.2011.07.008
12. D.A. Pearce, K.A. Hughes, T. Lachlan-Cope, S.A. Harangozo, A.E. Jones. Biodiversity of air-borne microorganisms at Halley station, Antarctica. Extremophiles 14, 145-159. (2010). doi: 10.1007/s00792-009-0293-8
13. J.J. Smith, M.J. Riddle. Sewage disposal and wildlife health in Antarctica. In K.R. Kerry, M. Riddle, eds. Health ofAntarctic Wildlife. Springer, Berlin & Heidelberg. 271-315. (2009). LINK
14. K.A. Hughes, P. Convey, N.R. Maslen, R.I.L. Smith. Accidental transfer of non-native soil organisms into Antarctica on construction vehicles. Biological Invasions 12, 875-891. (2010). doi: 10.1007/s10530-009-9508-2
15. K.A. Hughes, J.E. Lee, M. Tsujimoto, S. Imura, D.M. Bergstrom, C. Ware et al. Food for thought: risks of non-native species transfer to the Antarctic region with fresh produce. Biological Conservation 144, 1682–1689. (2011). doi: 10.1016/j.biocon.2011.03.001
16. K.A. Hughes, L.R. Pertierra, M. Molina-Montenegro, P. Convey. Biological invasions in Antarctica: what is the current status and can we respond? Biodiversity and Conservation 24, 1031–1055. (2015). doi: 10.1007/s10531-015-0896-6
17. E. Yergeau, K. Newsham, D. Pearce, G. Kowalchuk. Patterns of bacterial diversity across a range of Antarctic terrestrial habitats. Environmental Microbiology 9, 2670-2682. (2007). doi: 10.1111/j.1462-2920.2007.01379.x
18. Y. Chan, J. van Nostrand, J. Zhou, S.B. Pointing, R.L. Farrell. Functional ecology of an Antarctic dry valley. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 110, 8990-8995. (2013). doi: 10.1073/pnas.1300643110
19. J.C. Priscu, A.M. Achberger, J.E. Cahoon, B.C. Christner, R.L. Edwards, W.L. Jones et al. A microbiologically clean strategy for access to the Whillans Ice Stream subglacial environment. Antarctic Science 25, 637–647. (2013). doi:10.1017/S0954102013000035
20. D.A. Pearce, I.A. Alekhina, A. Terauds, A. Wilmotte, A. Quesada, A. Edwards et al. Aerobiology over Antarctica – A new initiative for atmospheric ecology. Frontiers in Microbiology 7, 16. (2016). doi: 10.3389/fmicb.2016.00016