56 Abstracts

Contribuţii metodologice la studiul diversităţii comunitătilor biotice din cadrul stromatolitelor , din Bahamas în vederea înţelegerii procesului de formare a stromatolitelor în Precambrian

Alexandru-Ionuţ Petrişor J, Alan W. Decho 2

J Facultatea de Urbanism, Universitatea de Arhitectură şi Urbanism "Ion Mincu ", 2 Department of Environmental Health Sciences, Amold School of Public Health, University of South Carolina

Introducere

Cele mai vechi macro structuri fosile de pe Terra, stromatolitele au apărut în Precambrian, cu circa 3,5 miliarde de ani în urmă şi îşi continuă procesul de formare şi astăzi în regiuni oceanice izolate din Bahamas şi, posibil, din Australia. Microarhitectura stromatolitelor contemporane, mediată de procese microbiene, prezintă o importanţă critică pentru înţelegerea proceselor microbiene şi biogeochimice care influenţează circuitul elementelor pe Terra şi , în egală măsură, a condiţiilor preistorice de mediu de pe Terra. Un interes special îl prezintă fenomenele de microforare, ca1cifiere şi distribuţia speciilor bacteriene implicate în reducerea sulfaţilor, analizate în corelaţie cu procesul de formare a stromatolitelor (Petrişor, 2004a). Analizele microscopice au permis evidenţierea a patru mari grupuri bacteriene cianobacteriile, bacteriile aerobe, bacteriile reducătoare de sulfaţi, bacteriile care oxidează compuşii cu sulf. Cianobacteriile suntproducătorii primari, bacterii le heterotrofe aerobe şi bacteriile reducătoare de sulfaţi sunt heterotrofe, iar bacteriile care oxidează compuşii cu sulfpot fi autotrofe sau heterotrofe. Prin succesiunea celor patru grupe bacteriene iau naştere trei tipuri de structuri laminare:

1) Tipul 1 se formează în etapa iniţială, şi este caracterizat de instalarea primelor bacterii. Acestea secretă abundent polimeri extracelulari (exopolimeri), care formează o matrice în care sunt înglobate microprecipitate (ooide) de CaC03 secretate de cianobacteriile din genul Schizotrix, şi care reprezintă un mediu propice pentru instalarea altor specii de bacterii.

2)TipuI2: este caracterizat de procesul de litificare prin formarea unui strat orizontal de CaC03 denumit linie albastră prin aglomerarea microprecipitatelor şi prin structurarea comunitătilor bacteriene formate din toate cele patru grupe. Evoluţia structurilor de tipull către cele de tipul 2 se face prin intermediul unei etape de tranziţie, în care structura laminară are caracteristici comune celor două tipuri.

3) Tipul 3: este caracterizat de prezenţa în număr mare a cianobacteriilor endolitice din genul Solentia, care forează stratul de CaC03, reprecipită CaC03 şi fuzionează ooidele într-o structură denumită lamină micritică pe care se pot instala bacteriile caracteristice unei comunităţi de tip 1 (Visscher, Reid şi Bebout, 2000).

În urma succesiunii celor trei tipuri de structuri laminare stromatolitele cresc în dimensiuni prin procesul de litificare şi capătă o structură stratificată (laminară). Succesiunea comunităţilor bacteriene este determinată de substanţele produse de anumite specii, care favorizează sau defavorizează prezenţa altor specii, precum şi de fluctuaţiile de temperatură şi pH determinate de alternanţa zi/noapte şi de succesiunea anotimpurilor. Interacţiunile dintre speciile componente şi dintre aceste specii şi biotop sunt adesea deosebit de complexe şi încă insuficient cunoscute (Reid et al., 2000).

Studiile realizate s-au axat pe următoarele cinci probleme de cercetare: l) Evidenţierea diferenţelor dintre structurile de tipul 1 şi cele de tipul 3 în privinţa intensităţii procesului de forare a

ooidelor: cele două structuri sunt asemănătoare, deoarece substratul este intact în structurile de tipul 1 şi aparent intact datorită reprecipitării CaC03 în cele de tipul 3, diferenţa constând în prezenţa canalelor forate în interiorul ooidelor în structurile de tipul 3 . S-a comparat suprafaţa totală ocupată de canalele forate în interiorul ooidelor în imagini microscopice ale celor două tipuri de structuri (Petrişor, 2004a).

2) Precipitarea CaCO, în structurile de tipull şi 2: concentraţia CaC03 este mult mai ridicată în cazul structurilor de tipul 2, determinând formarea unei linii albastre în [mal. Ipoteza studiului a fost că procesului de precipitare este mai intens în structurile de tipul 2 (petrişor, 2004b).

3) Prezenta în număr mai mare a bacteriilor reducătoare de sulfaţi în structurile de tipul 2 faţă de cele de tipull se datorează faptului că acestea sunt caracteristice structurilor de tipul 2, datorită existenţei unor condiţii favorabile de viaţă în aceste structuri, rezultat al modificării biotopului prin activitatea comunităţii bacteriene din structurile de tipull.

4) Gruparea bacteriilor reducătoare de sulfaţi în jurul cianobacteriilor în structurile de tipul 1 şi 2: deşi acest proces este dictat de biologi a speciilor, s-a investigat posibilitatea ca diferenţele structurale dintre cele două tipuri de structuri să îl afecteze.

Geodiversi 57

5) Gruparea bacteriilor reducătoare de sulfaţi la suprafaţa precipitatului se explică prin faptul că în această zonă bine oxigenată are loc ciclarea carbonului şi sulfului, condiţiile fiind propice existenţei acestor bacterii. Acest proces este mai intens în structurile de tipul 2, motiv pentru care fenomenul de grupare este mai evident în cazul acestora.

Materiale şi metode Imaginile unor secţiuni conservate în prealabil prin stromatolite în curs de formare ("vii") sau fosile au fost obţinute cu

ajutorul unei tehnici speciale de microscopie (microscopie confocală cu scanare laser) în format electronic. Această tehnică de microscopie permite obţinerea imaginilor unor secţiuni de grosime foarte mică, în care fluorescenţa diferitelor elemente componente nu este influenţată de fluorescenţa unor elemente similare aflate în preparat în regiunile de deasupra sau de dedesubtul secţiunii respective. Un alt avantaj este posibilitatea obţinerii imaginilor unor secţiuni paralele, fiecare dintre acestea fiind situată la aceeaşi distanţă de secţiunea aflată dedesubtul ei.

Principiul care se află la baza metodei de analiză a imaginilor este că tehnicile de microscopie confocală reprezintă un tip aparte de te1edetecţie, deosebirea între aceasta şi tehnicile folosite în alte domenii (de exemplu, studiul ecosistemelor sau complexelor de ecosisteme pe baza imaginilor satelitare sau aerofotogramelor) fiind una de scară. Pe baza acestui principiu, imaginile obţinute cu ajutorul microscopiei confocale au fost ulterior clasificate folosind tehnicile de clasificare supervizată sau prin extragerea de entităţi, folosind aceleaşi programe utilizate în mod curent pentru clasificarea imaginilor satelitare sau a aerofotogramelor (de exemplu, programul Erdas Imagine sau extensia Feature Analyst (engl. "Analizatorul de entităţi") a programelor Arc ViewGIS şi ArcGIS) în urma clasificării, rezultatele au fost analizate cu ajutorul SIG pentru determinarea ariei ocupate de componentele de interes (indivizii unei anumite specii de bacterii, precipitate, canale etc.) în cadrul fiecărei imagini, denumită arie de interes. S-au folosit fie raportul dintre aria de interes şi aria totală a imaginii (care, în cazul în fiecărui experiment, este o constantă dictată de rezoluţia imaginii, şi controlată de microscop), fie raportul dintre aria de interes şi aria ocupată de alte componente ale imaginii pentru a compara imaginile obţinute din diferite regiuni (straturi) ale stromatolitelor(Fig. 1).

în unele cazuri, ipotezele de cercetare au ridicat probleme specifice legate de relaţiile spaţiale dintre componente, care nu ar fi putut fi rezolvate decât prin folosirea SIG, de exemplu:

- Definirea canalelor (problema 1): aceste canale se umplu cu diferite elemente comune stromatolitelor (exopolimeri, resturi de bacterii, precipitate de CaCO, etc.), de aceea canalele care comunică cu exteriorul ooidului în care sunt forate nu pot fi evidenţiate doar pe baza semnăturii spectrale. Astfel, "definiţia" din perspectiva SIG a canalelor este: elemente care, din punct de vedere al semnăturii spectrale determinată prin tehnici de teledetecţie, se aseamănă fie bacteriilor, fie exopolimerilor, dar care se află în interiorul ooidelor.

- Studiul spaţial al relaţiilor dintre anumite microorganisme şi condiţiile de biotop (problema 4) sau dintre diferite grupe de bacterii (problema 5), porneşte de la presupunerea că pentru prezenţa acestor relaţii, indivizii speciilor respective trebuie să se afle la o anumită distanţă de indivizii speciilor cu care interacţionează sau de regiunile în care parametrii de biotop au o anumită valoare sau plajă de valori (de exemplu, valori ale concentraţiei de oxigen aflate între anumite limite etc.). Din aceste motive, cercetările au fost bazate pe calculul ariei ocupate doar de indivizii unei specii aflaţi fie într-o anumită regiune delimitată spaţial (problema 4), fie la o anumită distanţă de indivizii altei specii (problema 5). Compararea imaginilor obţinute din diferitele regiuni ale stromatolitelor s-a lacut pe baza ariilor determinate sau a rapoartelor dintre acestea, folosind metodele statistice de comparare a două medii (diferite variante ale testului t, Student).

-+ A1

Fig.] Aspecte ale metodologiei de cercetare.

Detaliul indică etapele parcurse pentru problema 5 de cercetare: A 1- delimitarea suprafeţei;

A2- crearea unei zone aflată la distanţa de 133.33 ţtm în jurul acesteia; A3- detectarea bacteriilor reducătoare

de sulfaţi pe baza culorii; A4- identificarea bacteriilor din interiorul zonei delimitate

58 Abstracts

Rezultate şi discuţii Rezultatele studiilor prezentate în cele şase exemple sunt redate în continuare în Tabelele 1-5.

Tabelull. Rezultatele stud iu lui prezentat în exemplul 1: suprafata ocupată de canalele forate în interiorul ooidelor în structurile de tipul I şi 3, raportată la suprafata totală a imaginii

I

Valoare p (testul 1) F Valoare p (testul F)

Tip 3 (n- 30) Tip I (n- 30) 6,73 <0,0001 23,24 <0,0001

Tabelul]. Rezultatele studiului prezentat în exemplul 2: suprafaţa ocupată de precipitatele de CaCO] în structurile de tipul 1 şi 2, raportată la suprafata totală a imaginij

I

Valoare p (testul 1) F Valoare p (testul F)

Tip I (n-25) 6,7 1 <0,0001 4, 10 0,0006

Procent Tip 2 (n~35)

Tabelul 3. Rezultatele studiului prezentat în exemplul 3: suprafaţa ocupată de bacteriile reducătoare de sul faţi în structurile de tipul I şi 2, raportată la suprafaţa total ă a imaginii

I Valoare p (testul 1) F Valoare p (testul F)

Tip I (n- 22) 2,63 0,0112 1,98 0, 1069

Tip2 (n- 32)

Tabelul 4. Rezultatele studiului prezentat în exemplul 4: suprafaţa ocupată de bacteriile reducătoare de sulfaţi aflate la distanţa aproximativă de 13.33 ~m de cianobacterii in structuri le de tipul 1 şi 2, raportată la suprafaţa

totală a imaginii

I

Valoare p (testul 1) F Valoare p (testul F)

Tip I (n 25) 1,48 0,1426 1,74 0,1527

Tip 2 (n'*40)

Tabelul S. Rezultatele studiului prezentat în exemplul 5: suprafaţa ocupată de bacteriile redueătoare de sulfali aflate în limita a 133 ~m de suprafaţa precipitatului in structurile de tipul I şi 2, raportată la suprafata totală a

I Valoare p (testul 1) F Valoare p (testul F)

imaginii Tip I (~21) 7,42 <0,0001 3,74 0,0011

Tip 2 (n- 31)

Pentru fiecare din problemele de cercetare analizate, rezultatele prezentate mai sus conduc la următoarele concluzii: I)Îll cazul comparării suprafeţei ocupate de canalele forate în interiorul ooidelor raportată la suprafaţa totală a imaginii în

structurile de tipul 1 şi 3, concluzia este că abundenţa mai ridicată a canalelor în structurile de tipul 3 indică o intensitate mai ridicată a l'roceselor de forare şi poate servi ca un indicator pentru diferenţierea celor două tipuri de structuri (Petrişor, 2004a).

2)ln ceea ce priveşte procesul de precipitare a CaCO" concluzia este că abundenţa mai ridicată a precipitatelor de CaCO, în structurile de tipul 2 indică o intensitate mai ridicată a proceselor de precipitare a CaCO, şi poate servi ca un indicator pentru diferenţierea celor două tipuri de structuri (petrişor, 2004b).

3) Diferenţa dintre abundenţa bacteriilor reducătoare de sulfaţi în structurile de tipul 1 şi 2 a dus la concluzia acestui studiu că abundenţa ridicată a acestora în structurile de tipul 2 se explică prin crearea condiţiilor favorabile de existenţă pentru acestea în urma activităţii comunităţii premergătoare din structurile de tipul 1.

4) Analiza fenomenului de grupare a bacteriilor reducătoare de sulfaţi în jurul cianobacteriilor sugerează că acest fenomen este real, dar nu este influenţat de tipul structurii, ci de biologia celor două specii.

5) Agregarea bacteriilor reducătoare de sulfaţi la suprafaţa precipitatului indică un fenomen real, probabil dependent de biologia grupului respectiv, şi mai bine evidenţiat în cazul structurilor de tipul 2, confrrmând ipoteza că modificările induse de comunitatea bacteriană premergătoare (caracteristică structurilor de tipul 1) şi/sau activitatea comunităţii bacteriene specifice structurilor de tipul 2 accentuează acest fenomen.

Bibliografie

Reid R. P., Visscher P., Decho A. w., Stolz J. F., Bebout B. M., Dupraz C., MacintyreL G., Paerl H. w., Pinckney J. L.,Prufert­Bebout L., Steppe T. F., DesMarais D. J. (2000). The role of microbes in accretion, lamination, and early lithijication of modern marine stromatolites, Nature 406, pag. 989-992 Visscher P. T., Reid R. P., Bebout B. M. (2000), Microscale observations of sulfate reduction: evidence of microbial activity forming lithijied micritic laminae in modern marine stromatolites, Geology 28, pag. 919-922

Petrişor A. 1., Decho A. W. (2004a), Using Geographical lnformation Techniques to Quanti.fy the Spatial Structure of Endo/ithic Boring Processes within Sediment Grains of Marine Stromatolites, Journal ofMicrobiological Methods 56(2), pag. 173-180 Petrişor A. 1., Kawaguchi T., Decho A. W. (2004b), Quantifying CaCOj Microprecipitates within Developing Surface Mats of Marine Stromatolites using GIS and Digital lmage Analysis, Geomicrobiology JournaI21(8), pag. 491-496