CC BY
12
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 549.579
МИНЕРАЛЬНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В ЦИАНОБАКТЕРИЯХ ИЗ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ЮГА РЕСПУБЛИКИ КОМИ*
В. И. Каткова, Т. П. Митюшева, В. Н. Филиппов, Ю. С. Симакова
ФГБУН Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар
Аннотация
Проведены исследования состава и структуры минералов в цианобактериях рода Rivularia из солоноватого водотока на территории Сереговского сользавода и рода Gloeotrichia из ультрапресных озер юга Республики Коми. Показано, что в гликокаликсе колоний Rivularia ex situ формируется кальцит в виде скелетных кристаллов и шестоватых агрегатов. Отложение карбоната кальция происходит на поверхности чехлов в виде облекания нитей цианобактерий, их отпечатков и полных псевдоморфоз. В гликокаликсе колоний рода Gleotrihiya обнаружен аутигенный уэвеллит, кальцит содержится в незначительных количествах. Ключевые слова:
кальцит, минерал, структура, цианобактерии, Rivularia, Gloeotrichia, гликокаликс.
MINERAL INCLUSIONS IN CYANOBACTERIA FROM WATER OBJECTS OF SOUTHERN KOMI REPUBLIC
Valentina I. Katkova, Tatjana P. Mityusheva, Basil N. Filippov, Yuliya S. Simakova
Institute of Geology of Komi Science Centre of the Ural Branch of the RAS, Syktyvkar
Abstract
We have studied the composition and structure of minerals in cyanobacteria (Nostocales) genus Rivularia from the salty stream on the territory of Seregovo salt mill and genus Gloeotrichia from the ultrafresh lakes (south of the Komi Republic). Due to the change of physical and chemical conditions ex situ, crystalline calcite is formed in the glycocalyx of Rivulyariya colonies in the form of skeletal crystals and columnar aggregates. It has been shown that deposition of calcium carbonate occurs on the surface of the covers in the form of enveloping cyanobacterial filaments, their imprints and complete pseudomorphs. In the glycocalyx of Gloeotrichia colonies from natural lakes calcite is contained in insignificant quantity, but all the examined samples represent an authigenous whewellite formed in situ.
Keywords:
calcite, mineral, structure, cyanobacteria, Rivularia, Gloeotrichia, glycocalix.
Введение
Исследование современного биоминералообразования в результате жизнедеятельности организмов имеет большое значение для понимания вопросов генезиса карбонатных и других осадков. Огромная роль принадлежит цианобактериям в образовании осадочных пород и связанных с ними многих полезных ископаемых [1]. Кальцификация цианопрокариотами наблюдается в пресных и соленых водах [2].
Цель работы — выявление особенностей состава и структуры микроминералов, формирующихся в цианобактериальных сообществах, обитающих в разных по составу водах юга Республики Коми (бассейн р. Вычегда).
*Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект № 15-18-5-5.
Фактический материал и методы исследований
Объектами исследований послужили колонии цианобактерий порядка ностокальных (род Я1уы1апа, 8 проб), изъятых из солоноватого техногенно измененного водотока (ручей Богодельский) на территории с. Серегово в зоне влияния сользавода (рис. 1). Воды руч. Богодельский имеют хлоридно-натриевый состав с минерализацией 4,2 г/л и высокие концентрации ионов С1, S и микрокомпонентов (табл. 1), которые могут быть токсичными для жизнедеятельности живых организмов. Колонии цианобактерий, прикрепленные к обломку горной породы, хранились в пробирке с природной водой при температуре +4 °С с июля по октябрь 2016 г.
48°(1'0"Е б 0«0'0"£ йв°9'0"£
Рис. 1. Местоположение точек отбора проб воды и цианобактерий: 1 — руч. Богодельский; 2 — озеро Сейты; 3 — озеро Вадкерос
Таблица 1
Химический состав вод исследованных объектов, мг/л
Местоположение объекта рН Мм2+ Н28Ю4 ро4_ бог С1 Са2+ НСО3- -Р^общ
Руч. Богодельский, с. Серегово (1) 7,35 1180,0 85,0 13,0 0,08 226,0 2300,0 250,0 510,0 1,09
оз. Сейты (2) 7,66 4,0 3,1 2,3 0,08 Не опр. Не опр. 9,0 Не опр. 1,45
оз. Вадкерос (3) 7,84 6,2 10,0 3,7 0,30 « « 32,8 « 0,21
Примечание. Цифры в скобках обозначают номера точек отбора проб на карте рис. 1.
Проведены исследования высушенных форм колоний цианобактерий (род Gloeotrichia, порядок ностокальных) из ультрапресных (0,2 г/л) озер Сейты (3 пробы) и Вадкерос (3 пробы) гидрокарбонатно-кальциево-магниевого состава. Для определения минеральных фаз колонии Gloeotrichia из природных озер предварительно подвергались обжигу при температуре 300 °С. В связи с малыми размерами объектов исследований для каждого метода и анализа были использованы разные колонии.
Исследования минерализованных форм колоний проведены в Центре коллективного пользования УрО РАН «Геонаука» в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар) оптическими (МБС-10 и световой микроскоп MoticBA 300), рентгеноструктурным (рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD 6000) и ИК-спектроскопическим (Фурье-спектрометр ИнфраЛюм ФТ-02, аналитик М. Ф. Самотолкова) методами. Морфологические особенности и химический состав цианофитов изучены с использованием СЭМ- (JSM 6400 JEOL, VEGA3 TESCAN, аналитики В. Н. Филиппов и С. С. Шевчук) и микрозондового анализа. Общий химический состав вод определялся по стандартным методикам в лаборатории «Экоаналит» ИБ Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар), при этом использовались следующие виды анализа: потенциометрия, прямое потенциометрическое титрование, турбидиметрия, фотометрия, ICP-AS. Микрокомпоненты определены методом ICP-MS Agilent 7700x (Thermo Elemental, США) в ИГ Коми НЦ УрО РАН (аналитик Д. В. Кузьмин). Погрешность определения концентраций отдельных компонентов этими методами составляла до 10-15 %.
Результаты и обсуждение исследований
Водоросли рода Rivularia представляют собой студенистые шаровидные колонии изумрудно-зеленого цвета размером 1-4 мм. С использованием светового микроскопа выявлено, что особи цианобактерий не утратили жизнеспособность в процессе хранения. После извлечения образцов из пробирки в течение 2-3 часов, в связи с резкой сменой физико-химических условий, произошла полная кристаллизация колоний (рис. 2).
Структурными методами были исследованы 4 минерализованные колонии. Рентгеноструктурный анализ пробы 1-1 показал, что основной минеральной составляющей является кальцит, наличие которого установлено по набору рефлексов: 3,85; 3,04; 2,49; 2,28; 2,18; 2,09; 1,874; 1,600; 1,520 Ä. В образце также определен галит (4,8; 3,28; 2,84; 1,645 Ä).
В качестве примесных минералов на спектре дифрактограммы зафиксированы рефлексы, указывающие на присутствие карналлита (4,65; 3,76; 2,91 Ä), бассанита (6,06 Ä) (рис. 3). В двух других пробах (1-2, 1-3) идентифицированы только кальцит и галит. На ИК-спектре минерализованной колонии 1-4
кроме полос, связанных с колебаниями NO^ -групп в решетке карбоната, указывающих на наличие кальцита (714, 875 и 1440 см-1), проявились слабые полосы в области 780-800 см-1 (колебания связанных SiO4-тетраэдров) и полоса 1080 см-1, свидетельствующая о наличии кварца.
Сейсмоэлектромагнитным методом (СЭМ) и методом микрозондового анализа проведены исследования морфологии и химического состава 4 минерализованных форм колоний (пробы 1 -5 и 1-8). Анализ РЭМ-изображений показал, что кальцит формирует как шестоватые структуры, так и вершинные скелетные кристаллы с параллельными субиндивидами по всей поверхности (рис. 4). Линейный размер кристаллов колеблется от 50 до 150 мкм. Скелетные кристаллы в пределах колонии сформировались в условиях увеличения концентрации кристаллообразующих веществ и быстрого роста в результате резкого повышения температуры с последующим
Рис. 2. Общий вид минерализованной колонии рода Rivularia (проба 1-2). РЭМ-изображение в режиме отраженных электронов
испарением. В вязкой среде при повышении температуры скелетные кристаллы могут появляться независимо от пересыщений. Шестоватые структуры агрегатов кальцита образованы параллельными сростками наноразмерных субиндивидов (шестиков). Подобные агрегаты формируются в условиях увеличения числа центров кристаллизации и кинетического режима роста с зонами геометрического отбора. Отдельные скопления кальцита, визуализируемые на микроснимках в виде бесструктурных масс, сформировавшихся, на наш взгляд, in situ, подвергались частичному растворению при хранении. В структуре карбонатизированных колоний выделяются свободные от кальцита нити (Са — 0,85-2,16 мас. %), псевдоморфозы облекания нитей цианобактерий, а также их отпечатки. Псевдоморфозы облекания представляют собой полые трубки диаметром 8 мкм. Содержание кальция в псевдоморфозах колеблется от 14 до 32 мас. % (рис. 5).
Рис. 3. Дифрактограмма карбонатизированной колонии (проба 1-2)
Рис. 4. Вершинные скелетные кристаллы Рис. 5. Карбонатные псевдоморфозы
кальцита (проба 1-5) по нитям цианобактерий
В составе минерализованных нитей цианобактерий Шш1апа выявлена значительная дисперсия в содержаниях кальция, хлора и кремния (табл. 2). Однако в свободном от карбонатов в гликокаликсе содержание хлора на порядок больше, чем в нитях, при низких концентрациях кальция и натрия (табл. 3).
Таблица 2
Химический состав нитей цианобактерий по данным микрозондового анализа, мас. %
Химический состав Rivularia Gloeotrichia Химический состав Rivularia Gloeotrichia
1-1 (П = 5) 1-3 (П = 3) 2-1 (П = 3) 1-1 (П = 5) 1-3 (П = 3) 2-1 (п = 3)
№ 0,73-0,94 не обн. — С1 0,37-3,54 0,90-1,00 не обн.
Mg 0,00-0,71 0,00-0,61 0,00-0,08 K 0,21-1,36 не обн. 0,17-0,42
Si 0,30-1,49 0,00-3,56 0,00-0,28 Ca 0,85-27,43 14,07-32,11 1,72-2,95
P 0,00-0,45 0,00-0,44 0,86-4,81 Mn 0,39-1,66 0,94-1,09 не обн.
S 0,24-0,49 0,29-0,51 0,45-0,67 Fe 0,42-3,21 0,00-2,41 не обн.
Примечание. В скобках указано число анализов.
Таблица 3
Химический состав гликокаликса цианобактерий по данным микрозондового анализа, мас. %
Химический состав Rivularia Gloeotrichia Химический состав Rivularia Gloeotrichia
1-2 (п = 4) 1-4 (п = 4) 2-1 (п = 1) 1-2 (п = 4) 1-4 (п = 4) 2-1 (п = 1)
№ 0,00-1,61 0,00-1,10 не обн. С1 2,04-11,01 6,05-7,95 0,31
Mg 0,59-1,23 0,53-0,55 не обн. K 0,39-1,91 0,45-0,69 0,28
Si 0,00-0,36 0,00-0,46 не обн. Ca 0,87-9,49 1,49-6,03 4,96
P 0,26-1,58 0,00-0,30 0,70 Mn 0,00-2,94 0,27-0,48 не обн.
S 0,36-0,56 0,00-0,32 0,35 Fe 0,52-0,95 0,00-9,00 не обн.
Согласно проведенным исследованиям, в структуре колоний цианобактерий Rivularia можно выделить аморфный карбонат кальция, кристаллы кальцита, псевдоморфозы облекания и полные псевдоморфозы по нитям. Ранее, при экспериментальном моделировании процессов кальцификации цианобактерий, проведенном О. С. Самылиной с соавторами [3], было установлено, что карбонатизация алкалофильных цианобактерий сводится к сорбции аморфного карбоната кальция на клеточной поверхности с последующей их кристаллизацией. Осаждение кальция на слизистые чехлы происходит благодаря экзополисахаридам внеклеточного полимерного вещества и слизистых чехлов [2].
Средний размер колоний цианобактерий рода Gloeotrichia из природного оз. Сейты составляет 0,5 мм. Исследования структурными методами озоленной формы (проба 2-1) показали, что основной минеральной составляющей является захваченный из окружающих вод цианобактериями кварц ^Ю2), в качестве примесного минерала идентифицирован привнесенный альбит (ША^^). На ИК-спектре (проба 2-2) слабая полоса в области 1318 см-1 указывает на наличие, предположительно, уэвеллита (СаС2О4Н2О). Результаты исследований методами РЭМ-и микрозондового анализа высушенной колонии (проба 2-3) подтверждают формирование кристаллов оксалата кальция в глиокаликсе. Палочковидные кристаллы оксалата кальция размером 2-4 мкм располагаются между нитями и на их поверхностях. По данным микрозондового анализа, содержание кальция в них составляет 15-18 мас. %. Кроме того, в гликокаликсе встречаются единичные зерна аллотигенного микроклина (КА^^^ и кальцита (Са — 34 мас. %). На РЭМ-избражениях четко визуализируются валютиновые гранулы фосфатного состава в цитоплазме клеток. Содержание фосфора в них составляет 2,25-4,81 мас. %, кальция — 2,95 мас. %. В клетках цианобактерий также определены S, К, Mg (табл. 2). В гликокаликсе колонии из оз. Сейты распространены скопления диатомей, а также неустановленная биота (гифы микромицета?).
Колонии цианопрокариот рода Gloeotrichia из оз. Вадкерос отличаются большими (до 1 см) размерами от цианей из оз. Сейты. В озоленных колониях (3-1...3-2) аллотигенный кварц (размер зерен 100-250 мкм) является основной минеральной составляющей. Наряду с кварцем на дифрактограмме присутствуют экстремумы, принадлежащие аутигенному уэвеллиту (5,92; 3,65; 2,97; 2,35; 1,946 А), а на ИК-спектре полосы 780 и 1318 см (деформационные и валентные колебания СО-групп) указывают на наличие кристаллов оксалата кальция. Кроме того, присутствуют полосы в области 780 и 1096 см-1, характерные для аморфного кремнезема, а
слабые полосы 875 и 1440 см-1 связаны с колебаниями NO^ -групп в кальците. Выводы
Показаны особенности современного биоминералообразования цианопрокариот в различных водных средах. Основными минеральными составляющими минерализованных колоний из солоноватых Cl-Na-вод ручья на территории Сереговского сользавода являются кальцит и галит. В качестве примесных минералов определены карналлит, бассанит. Частичная карбонатизация колоний цианобактерий рода Rivularia имела место in situ, а полная кристаллизация произошла ex situ — в связи с изменением физико-химических условий. Фоссилизированные колонии рода Rivularia отличаются составом микроминеральных включений, что может свидетельствовать о различиях биохимических процессов в слизистых чехлах колоний. В колониях выделяются кристаллический кальцит, карбонатизированные псевдоморфозы облекания нитей и их отпечатки, псевдоморфозы кальцита по нитям цианобактерий.
В гликокаликсе колоний цианобактерий рода Gloeotrichia, обитающих в пресных озерах Сейты и Вадкерос формируется уэвеллит. Кальцит содержится в незначительных количествах.
Формирование микроминералов (кальцита, галита, уэвеллита и др.), независимо от условий кристаллизации и места обитания цианопрокариот, происходит в пределах слизистых чехлов, без проникновения внутрь клетки.
Благодарности
Авторы признательны ведущему научному сотруднику Института биологии Коми НЦ УрО РАН Е. Н. Патовой за определение родовой принадлежности цианобактерий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ископаемые бактерии и другие микроорганизмы в земных породах и астроматериалах / М. М. Астафьева [и др.]; науч. ред. А. Ю. Розанов, Г. Т. Ушатинская. М.: ПИН РАН, 2011. 172 с. 2. Цианобактериальные маты (полевые и экспериментальные результаты) / В. К. Орлеанский [и др.] // Водоросли в эволюции биосферы: материалы I палеоальгол. конф. М.: ПИН РАН, 2013. С. 89-92. 3. Самылина О. С., Баулина О. И., Герасименко Л. М. Фоссилизация цианобактерий в условиях содовых озер // Водоросли в эволюции биосферы: материалы I палеоальгол. конф. М.: ПИН РАН, 2013. С. 112-114.
Сведения об авторах
Каткова Валентина Ивановна — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института геологии Коми НЦ УрО РАН E-mail: katkova@geo.komisc.ru
Митюшова Татьяна Павловна — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института геологии Коми НЦ УрО РАН E-mail: mityusheva@geo.komisc.ru
Филиппов Василий Николаевич — старший научный сотрудник Института геологии Коми НЦ УрО РАН
E-mail: filippov@geo.komisc.ru
Симакова Юлия Станиславовна — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института геологии Коми НЦ УрО РАН E-mail: simakova@geo.komisc.ru
Author Affiliation
Valentina I. Katkova — PhD (Geol. & Mineral.), Senior Researcher of the Institute of Geology of Komi Science Centre of the Ural Branch of the RAS, Syktyvkar E-mail: katkova@geo.komisc.ru
Tatjana P. Mityusheva — PhD (Geol. & Mineral.), Senior Researcher of the Institute of Geology of Komi Science Centre of the Ural Branch of the RAS, Syktyvkar E-mail: mityusheva@geo.komisc.ru
Basil N. Filippov — Senior Researcher of the Institute of Geology of Komi Science Centre of the Ural Branch of the RAS, Syktyvkar E-mail: filippov@geo.komisc.ru
Yuliya S. Simakova — PhD (Geol. & Mineral.), Senior Researcher of the Institute of Geology of Komi Science Centre of the Ural Branch of the RAS, Syktyvkar E-mail: simakova@geo.komisc.ru
Библиографическое описание статьи
Каткова, В. И. Минеральные включения в цианобактериях из водных объектов юга Республики Коми / В. И. Каткова [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 4 (9). — С. 64-70.
Reference
Katkova Valentina I., Mityusheva Tatjana P., Filippov Basil N., Simakova Yuliya S. Mineral Inclusions in Cyanobacteria from Water Objects of Southern Komi Republic. Herald of the Kola Science of the RAS, 2017, vol. 4 (9), pp. 64-70. (In Russ.).
