CC BY
59
24. Galindo C., Jacques P., Kalt A. Photochemical and photocatalytic degradation of an indigoid dye: a case study of acid blue 74 (AB74) // J. Photochem. Photobiol. - 2001. - V.141. - P. 47-56.
25. Mills G., Hoffmann M.R. Photocatalytic degradation of pentachlorophenol on TiO2 particles: identification of intermediates and mechanism of reaction // Environ. Sci. Technol. - 1993. - V.27. - P. 1681-1689.
26. Benitez F.J., Beltran-Heredia J., Acero J.L., Rubio F.J. Contribution of free radicals to chlorophenols decomposition by several advanced oxidation processes // Chemosphere. - 2000. - V.41. - P. 1271-1277.
УДК 550.42(571.54)
БАКТЕРИАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ СЕРОВОДОРОДА В АЗОТНЫХ ГИДРОТЕРМАХ ПРИБАЙКАЛЬЯ
А.В. Тудупов, Д.Д. Бархутова, З.Б. Намсараев, Б.Б. Намсараев
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 10-04-93169 Монг_а и МО РФ РНП № 2.1.1/12153.
Изучена интенсивность образования сероводорода в гидротермах in situ и в накопительных культурах сульфатредук-торов. Показано, что бактериальный синтез сероводорода зависит от температуры и рН среды. Изучена способность роста сульфатредукторов на разных донорах и акцепторах электронов.
Ключевые слова: гидротермы, сероводород, сульфатредукция, сульфат-ион, сульфатредукторы.
BACTERIAL SYNTHESIS OF HYDROGEN SULFIDE IN NITRIC HYDROTERMS OF PRIBAIKALYE A.V. Tudupov, D.D. Barhutova, Z.B. Namsaraev, B.B. Namsaraev
Intensity of hydrogen sulfide forming in hydroterms in situ and in accumulative cultures of sulfate reducing bacteria is studied. It was shown that bacterial synthesis of hydrogen sulfide depends on temperature and рН environment. Growth ability of sulfate reducing bacteria was investigated on different donors and acceptors of electrons.
Keywords: hydroterms, hydrogen sulfide, sulfate reduction, sulfate-ion, sulfate reducing bacteria.
Процессы образования в биосфере сероводорода связывают в основном с деятельностью сульфат-редуцирующих бактерий, имеющих большое значение для глобального круговорота серы. Они играют важную роль в разложении органического вещества в анаэробных условиях. Сульфатредуцирую-щие бактерии (СРБ) осуществляют диссимиляционную сульфатредукцию, представляющую собой анаэробное сульфатное дыхание, при котором сульфат служит конечным акцептором электронов (вместо кислорода) при окислении органических веществ или молекулярного водорода. В сульфатсодержащих экосистемах, прежде всего в морях и минеральных сульфатных озерах, процесс сульфат-редукции не лимитирован субстратом, а потому может протекать с высокой интенсивностью. Наземные и подводные гидротермы также являются системой, отличающей высоким содержанием сульфатных ионов.
Изучение активности биогеохимических процессов в подводных и наземных гидротермах показало, что направление процесса терминальной деструкции органического вещества (сульфатредукция и метаногенез) контролируется содержанием сульфата. При содержании сульфата в среде от 11.5 до 21.1 мг/дм3 сульфатредукция не подавляет метаногенез, который развивается с высокой скоростью [1, 2]. В источнике с содержанием сульфата около 30 мг/дм3 (термофильный) сульфатредукция доминировала, а расход органического вещества через метаногенез составлял от 10 до 78% расхода через сульфатредукцию [3]. В исландском источнике Граендалса с содержанием сульфата 84 мг/дм3 и Йел-лоустоунских источниках Бэс лейк и Пейнтед пул с содержанием сульфата около 718 мг/дм3 суль-фатредукция являлась единственным терминальным процессом деструкции [4]. Высокая активность терминальных деструкционных процессов была обнаружена в подводных гидротермах. В илу вулканической воронки с глубины 40 м залива Пленти (Новая Зеландия) с температурой 85°С скорость сульфатредукции достигает 1655.2 мкгё/л сут [5]. В глубоководных гидротермах Гуаймас Калифорнийского залива с глубины 2010 м (50-70°С) скорость сульфатредукции достигает 1024 мкгё/л сут [6]. Ранее нами было показано, что в щелочных гидротермах Байкальской рифтовой зоны из терминальных процессов высокой интенсивностью обладает процесс сульфатредукции. В процессе суль-фатредукции расходуется на 2-3 порядка больше органического вещества, чем в процессе метаноге-неза [7].
Целью работы было изучение интенсивности процесса образования сероводорода при участии сульфатредуцирующих бактерий в гидротермах Прибайкалья и накопительных культурах, выделенных из донных осадков и микробных матов.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являлись азотные гидротермы Гарга, Уро, Сея, Алла, Кучигер, Умхей.
Концентрацию сероводорода и сульфидов определяли с диметил-парафинелендиамином калориметрическим методом [8]. Содержание сульфатов определяли турбидиметрическим методом с помощью гликолевого реагента [9]. Скорость сульфатредукции определяли радиоизотопным методом с помощью меченного ^S-сульфата [10].
Для расчета интенсивности сульфатредукции применяли следующую формулу:
А = (р х С)/(Р х в),
где А - интенсивность процесса, С - концентрация субстрата, р - радиоактивность продукта реакции, Р - радиоактивность введенного в пробу меченного субстрата, в - время инкубации.
Количество использованного бактериями органического углерода рассчитывали согласно реакции: 2Сорг + SO4S2-+ CO2
Накопительные культуры СРБ выращивали на среде состава (г/дм3): КН2РО4, 0,2; MgCb-бЩО, 0,1; NH4Cl, 0,5; KCl, 0,2; Na2SO4, 3,0; дрожжевой экстракт, 0,1; раствор микроэлементов, 1 мл; №^-9Н2О, 0,05; лактат или ацетат натрия в качестве субстата, 4,0. Значения рН, соответствующие гидрохимии исследуемых источников, устанавливали соотношениями NaHCO3 и Na2CO3.
Для изучения физиологических особенностей выделенных штаммов СРБ изучали зависимость роста от температуры, рН и рост на альтернативных акцепторах и донорах электронов. Для штаммов СРБ возможные доноры электронов определяли, заменяя исходный субстрат (0,4% лактат) органическими кислотами (сукцинат, ацетат, пируват, малат, фумарат, формиат, пропионат, бутират), спиртами (этанол, метанол), аминокислотами (серин, цистеин), сахарами (глюкоза, фруктоза, манноза, рамноза). Рост проверяли с дрожжевым экстрактом и без него.
При изучении спектра альтернативных акцепторов электронов в анаэробных условиях Na2SO4 (20 мМ) заменяли Na2SO3, Na2S2O3x5H2O, NaNO3 и ДМСО (диметилсульфоксид) в эквимолярном соотношении. Рост бактерий фиксировали фотоколориметрическим методом по изменению оптической плотности среды и образованию конечного продукта реакции - сульфида.
Результаты исследования
Исследуемые минеральные воды являются по анионному составу сульфатно-гидрокарбонатными или гидрокарбонатно-сульфатными с содержанием сульфат-ионов 66 - 400 мг/дм3 (табл. 1). Сульфат-ионы поступают с подземными водами и образуются в ручьях по изливу в результате химического и микробиологического окисления сероводорода. Поступление значительных количеств сульфатов и легкоразлагаемых органических веществ способствует деятельности сульфатредуцирующих бактерий в донных осадках и микробных матах. Процессы сульфатредукции идут, по-видимому, за счет доноров электронов, поступающих с водой (Н2, органическое вещество). Низкомолекулярные органические субстраты образуются первичными анаэробами при деструкции автохтонного и аллохтонного органического вещества источников.
Исследуемые источники можно разделить на сероводородные (Алла, Умхей, Кучигер, Сея) и не содержащие сероводород (Гарга, Уро). Концентрация Н^ в сероводородных источниках достигает 40 мг/дм3 (Умхей) и в донных осадках - 108 мг/дм3 (Кучигер). Невысоким содержанием сероводорода отличалось термальное озеро Сея, где концентрация сероводорода не превышает 5 мг/дм3.
Таблица 1
Интенсивность процесса сульфатредукции в донных отложениях гидротерм Прибайкалья
Источник Тип пробы t, °C pH H2S, мг/дм3 SO4, мг/дм3 Скорость, мгё/кг сут Расход, мг С /кг сут
Гарга Га0-1 песок 72,7 7,9 <0,1 270 0,05 0,03
Га0-6 илистый песок 33,6 9,1 0,03 0,02
Га0-7 илистый песок 44 8,5 400 0,03 0,017
Алла Ал0-6 илистый песок 40 8,6 6,2 110 0,014 0,107
Уро Ур0-3 илистый песок 38,5 8,7 70 0,014 0,010
Ур0-7 илистый песок 65 8,8 95 0,027 0,020
Ур0-8 ил 45 9,3 95 0,103 0,077
Сея Се0-1 песок 49,7 9,6 5 100 0,01 0,006
Се0-1а ил 49,7 9,6 5 100 0,43 0,32
Кучигер ил 41 9,87 23,2 90 0,40 0,30
Умхей ил 45 9,2 31 66 0,70 0,52
илистый песок 43 9,3 31 66 0,50 0,37
В донных осадках гидротерм за счет сульфатредукции за сутки образуется 0,01-0,7 мг8/кг (табл. 1) при температуре воды 30-73°С. Наибольшее количество сероводорода образуется в иловых отложениях гидротерм Кучигер и Умхей и илистых осадках термального озера Сея. В песках гидротерм, бедных органикой, скорость сульфатредукции не превышает 0,03 мгё/кг сут. При этом концентрация сульфатных ионов в воде может достигать 400 мг/дм3. В процессе бактериального восстановления сульфатов расход органического вещества составляет 0,01-0,52 мгС/кг сут. Высокая активность сульфатредукционных процессов была обнаружена в микробных матах гидротерм. Скорость образования сероводорода в микробных матах достигала 5,53 мгё/м2 сут.
В зоне излива источников происходит образование сероводорода за счет сульфатредукции со скоростью 0.013-1,7 гё/м2 сут. По изливу минеральных вод источников скорость сульфатредукции в микробных матах постепенно возрастает (рис. 1). Образование сероводорода достигает максимума в гидротерме Гарга при 45 °С (2,13 гё/м2 сут.), в Уро - при 65-60 °С (0,0082-5,53 гё/м2 сут.), Алле - при температуре ниже 45°С (0,01-4,12 гё/м2 сут.). В матах на дне озера гидротермы Сея происходит образование сероводорода за счет сульфатредукции со скоростью 0,096-1,29 гё/м2 сут. По изливу скорость сульфатредукции в микробных матах падает до 0,06-0,38 гё/м2 сут. при 47°С и возрастает ниже по ручью до 0,86 гё/м2 сут. (47-43 °С).
Расход органического углерода бактериями в процессах сульфатредукции приведен в таблице 2 (рис. 2). Максимальная величина расхода органического вещества через сульфатредукцию в микробных матах составляет 4,15 гС/м2 сут. (Уро). Из донных осадков и микробных матов гидротерм выделены активные накопительные культуры мезофильных и термофильных сульфатредуцирующих бактерий, которые представлены палочковидными формами и вибрионами [11, 12]. В осадках исследуемых источников численность СРБ достигала максимальных значений (106-108 кл/см3) при использовании лактата в качестве источника углерода и донора электронов. Численность СРБ в осадках из Гарги, Сеи и Аллы не превышала 106 кл/см3. Высокая численность СРБ, растущих как на лактате, так и на ацетате (107 и 108 кл/см3), выявлены в донных осадках гидротермы Кучигер.
Термофильные сульфатредукторы, выделенные из донных осадков гидротермы Гарга и Сея, были способны утилизировать кроме лактата и ацетата бутират, но не росли на пропионате и формиате (табл. 3). Выделенные штаммы имели слабый рост на рамнозе. В отличие от сульфатредукторов из источника Гарга СРБ из гидротермы Сея активно росли на маннозе. Слабый рост СРБ зафиксирован на этаноле и аланине при внесении в качестве органического субстрата.
Термофильные СРБ из гидротерм Прибайкалья способны синтезировать сероводород в количестве 4-10 мг/дм3 при температуре от 50 до 75 °С и рН 8,5-10 [12]. С целью изучения роста культур СРБ при разных рН (6,98; 8,15; 9,09; 10,03) и температуре (10, 20, 30, 40, 50 °С) были выбран мезофиль-ный штамм. Результаты представлены на рисунке 3. Диапазон рН, при которой возможен рост, составил 8,15-9,09. Наибольший выход сероводорода на 12 сутки культивирования (62,6 мг/дм3) обнаружен при рН 8,15 и температуре культивирования 30°С. Также высокую концентрацию сероводорода (55,1 мг/дм3) обнаружили при рН 8,15 и температуре 40°С.
Таблица 2
Интенсивность процесса сульфатредукции в микробных матах гидротерм Прибайкалья
Источник 1, °С pH ЕЙ, мВ Н28, мг/дм3 804-, мг/дм3 Скорость, мг 8/м2 сут. Расход, мг С/м2сут.
Гарга 75-57 7,7 -132 <0,1 270 0,013 0,001
57-54 8,4 0,084 0,063
53-45 8,5 400 0,004-2,13 0,003-1,597
44-33 8,8 +100 0,293 1,043
44-30 9,1 1,195 0,896
Алла 79-70 9,3-9,8 -185 12 110 0,154 0,086
65-50 9,2-9,9 -60 7,8 0,425 0,319
45-24 9,2-9,7 -12 2,6 1,452 2,202
45 9,6 +20 1,56 0,19 0,142
Уро 69-66 8,8 -33 70 0,1-1,768 0,075-1,326
65-60 8,8 -130-+70 95 0,008-5,53 0.006-4,147
50-45 8,8-9,7 +138-+196 95 0,006-2,31 0,004-1,732
40-35 9,2-9,7 +168-+169 0,004-1,495 0,003-1,121
Сея 49,7 9,6 -45 5 100 0,096-1,298 0,072-0,973
49-47 9,6 +17 1,6 100 0,064-0,383 0,048-0,287
47-43 9,7 +146 0,6 100 0,179-0,86 0,134-0,645
Кучигер 36,7 9,87 -43 15 0,50 0,4
33,7 -70 19,5 0,12 0,09
Умхей 38 9,2 31 1,2 0,89
Т, С
Т, С
Т, С
Т, С
Рис. 1. Интенсивности сульфатредукции в микробных матах по изливу гидротерм:
А - Алла, Б - Г арга, В - Сея, Д - Уро
Сульфатредуцирующие бактерии могут осуществлять рост за счет не только восстановления сульфатов, но и тиосульфата, сульфита, элементной серы и других акцепторов электронов. Изучение возможности использования альтернативных акцепторов электрона в отсутствие сульфата показало, что СРБ из гидротерм способны восстанавливать сульфит, нитрит и диметилсульфоксид (ДМСО). Использование сульфита и ДМСО в качестве акцепторов характерно для культуры Иг51Ь, а нитрит наряду с ДМСО восстанавливает термофильные сульфатредукторы Га-10-3 из гидротермы Гарга.
Рост СРБ на различных донорах электронов
Таблица 3
лактат ацетат формиат фумарат т а р К т у ю пропионат дрожжевой экстракт Этанол глюкоза фруктоза манноза рамноза аланин
8е-08-1-2 ++ + - - ++ - ++ + + - ++ + +
Оа-1 + + - - ++ - ++ + - - - + +
++ - активный рост, + - средний рост; - - рост отсутствует.
Таким образом, сульфатредуцирующим бактериям принадлежит важная роль в экосистеме, характеризующейся щелочными значениями рН и высокой температурой. Мезофильные и термофильные сульфатредукторы осуществляется бактериальный синтез сероводорода. При этом скорость образования сероводорода достигает в донных осадках 0,7 мгё/ кг сут., а в микробных матах -5,53 гё/м2 сут. Интенсивность процесса сульфатредукции в источниках изменяется по изливу воды, достигая максимума в сероводородных гидротермах в интервале температуре 45-43 °С. В бессульфидном источнике Уро максимальная скорость сульфатредукционных процессов обнаружена при 65-60 °С.
Рис 2. Рост сульфатредукторов Ur51L в градиенте температуры и рН
Га-10-3
Га-10-3 □ Г а-10-3
Рис. 3. Рост СРБ на альтернативных акцепторах электронов
Сульфатредуцирующие бактерии могут осуществлять диссимиляционное восстановление сульфата в сероводород при температурах от 30 до 75 °С и рН 8,15-10. Они способны использовать альтернативные виды акцепторов электронов в отсутствие сульфатных ионов.
Литература
1. Ward D.M. Thermophilic methanogenesis in a hot spring algal-bacterial mat (71-30°C) // Appl. Environ. Microbiol. - 1978. - V.35. - P. 1019-1026.
2. Sandbeck K.A., Ward D.M. Temperature adaptations in the terminal processes of anaerobic decomposition of Yellowstone and Islandic hot spring mats // Appl. Environ. Microbiol. - 1982. - V.44. -P. 844-851.
3. Горленко В.М., Бонч-Осмоловская Е.А. Формирование микробных матов в горячих источниках и активность продукционных и деструкционных процессов // Кальдерные микроорганизмы. - М: Наука, 1989. - 217 с.
4. Ward D.M., Beck E., Revsbech N.P., Sandbeck K.A., Winfrey M.R. Decomposition of hot spring microbial mats // In Microbial mats: Stromatolites. - 1984. - P. 191-214.
5. Намсараев Б.Б., Бонч-Осмоловская Е.А., Мирошниченко М. Л. и др. Микробиологические процессы круговорота углерода в мелководных гидротермах Западной окраины Тихого океана // Микробиология. - 1994. - Т.63. - С. 100-111.
6. Jorgensen B.B., Zawacki L.X., Jannsch H.W. Thermophilic bacterial sulfate reduction in deep-sea sediments at the Guaymas Basin hydrothermal vent site (Gulf of California) // Deep-Sea Res. - 1990. - V.37. - Р. 695-710.
7. Намсараев З.Б., Горленко В.М., Намсараев Б.Б., Бархутова Д. Д. Микробные сообщества щелочных гидротерм. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 111 с.
8. Truper H.G. Schlegel H.G. Sulphur metabolism in Thiorodacea // Antonie Van Levenhoek. - 1964. - P. 225-238.
9. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М.: Химия, 1984. - 448 с.
10. Иванов М.В. Применение изотопов для изучения интенсивности процесса редукции сульфатов в озере Беловодь // Микробиология. - 1956. - Т.25, №3. - С. 305-309.
11. Тудупов А.В., Калашников А.М., Бархутова Д. Д. Распространение сульфатвосстаналивающих бактерий в щелочных гидротермах Прибайкалья // Вестник БГУ. - 2009. - Вып. 4. - С. 102-105.
12. Калашников А.М., Тудупов А.В., Зайцева С.В. и др. Разнообразие сульфатредуцирующих бактерий в щелочных гидротермах Прибайкалья // Вестник БГУ. - 2010. - Вып. 4. - С. 93-96.
Тудупов Аламжи Владимирович, аспирант, лаборатория микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, talamzhi @yandex. ru
Бархутова Дарима Дондоковна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория микробиологии, институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, darima bar@mail.ru
Намсараев Зоригто Баирович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, 117312, Москва, пр. 60-летия Октября, 7-2
Намсараев Баир Бадмабазарович, доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, bair n@mail.ru
Tudupov Alamzhi Vladimirovich, posgraduate student, laboratory of microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.
Barkhutova Darima Dondokovna, candidate of biology, senior researcher, laboratory of microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.
Namsaraev Zorigto Bairovich, candidate of biology, senior researcher, S.N.Vinogradsky Institute of Microbiology RAS, Moscow.
Namsaraev Bair Badmabazarovich, doctor of biology, professor, head of laboratory of microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.
УДК 544.2+ 544.03
ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА ТЕКСТУРНЫЕ СВОЙСТВА МОНТМОРИЛЛОНИТА С.Ц. Ханхасаева, Э.Ц. Дашинамжилова, В.В. Рампилова
Исследовано влияние термообработки на текстурные свойства монтмориллонита Мухорталинского месторождения. Методом РФА показано, что термообработка при 500°С приводит к образованию безводной модификации монтмориллонита вследствие дегидратации и дегидроксилирования. По данным низкотемпературной адсорбции азота, термообработка монтмориллонита при 500°С приводит к уменьшению удельной поверхности и объема пор.
Ключевые слова: монтмориллонит, термообработка, текстурные свойства.
EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE TEXTURAL PROPERTIES OF MONTMORILLONITE
S.Ts. Khanhasaeva, E.Ts. Dashinamzhilova, V.V. Rampilova
The effect of heat treatment on the textural properties of montmorillonite of Muhortala deposit was studied. XRD analysis shows that heat treatment at 500°C leads to formation of anhydrous modification of montmorillonite due to dehydration and dehydroxyla-tion. According to the data of По данным низкотемпературной адсорбции азота low-temperature nitrogen adsorption thermal treatment of montmorillonite at 500°C leads to decrease of surface area and pore volume.
Keywords: montmorillonite, thermal treatment, textural properties.
Глины издавна используются в различных областях человеческой деятельности. Область их применения чрезвычайно широка - это производство керамических и строительных изделий, нефтедобыча и нефтепереработка, металлургия, химическая, бумажная, фармацевтическая, пищевая и другие отрасли промышленности. Глины также используются как сорбенты, ионообменники, катализаторы и носители катализаторов [1]. В настоящее время все больше внимания уделяется использованию местного минерального сырья в качестве сорбционных материалов для очистки сточных вод от различных загрязнителей. Перспективность применения природных сорбентов обусловлена тем, что, обладая развитой удельной поверхностью, они в десятки раз по стоимости дешевле искусственных сорбентов. Доступными материалами, уникальными по своим физико-химическим свойствам, являются бентонитовые глины, в которых основным минералом является слоистый алюмосиликат монтмориллонит. Наличие таких активных центров, как обменные катионы, гидроксильные группы, координа-
