CC BY
53
УДК 549.022 (579.22)
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ МИКРОБНЫХ МАТОВ ГИДРОТЕРМ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА*
* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 15-04-01275, № 15-04-04335, МОН РФ № 1990
© Будагаева Валентина Григорьевна, аспирант лаборатории микробиологии Института общей и экспериментальной биологии СО РАН
Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail: [email protected] © Устинова Олеся Валерьевна, аспирант Бурятского государственного университета Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: [email protected]
© Бархутова Дарима Дондоковна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института общей и экспериментальной биологии СО РАН Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6
Изучено содержание элементов (С, H, N) в микробных матах гидротерм Байкальского региона. Наибольшее содержание углерода (С0бщ) выявлено в мате источников Гарга, Алла, Сеюя, Умхэй и Уро, наименьшее - в гидротермах Горячинск и Цэнхэр. В микробном мате источников Алла и Гарга происходило осаждение кальцита, тогда как в источниках Уро и Сеюя - формирование силикатных минералов. Ключевые слова: элементный состав, карбонаты, микробные маты, кальцит, гидротермы, осаждение.
THE ELEMENTAL COMPOSITION OF THE MICROBIAL MATS OF THE BAIKAL REGION HOT SPRINGS
Budagaeva Valentina G., postgraduate, Microbiology Laboratory, Institute of General and Experimental Biology SB RAS
6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Ustinova Olesya V., postgraduate, Buryat State University
6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Barkhutova Darima D., candidate of biological sciences, senior research, Institute of General and Experimental Biology SB RAS 6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
The content of elements (C, H, N) in microbial mats of the Baikal region hydrotherms was studied. The highest content of carbon (Ctotal) was found in the mat of Garga, Alla, Seya, Umhey and Uro springs, the smallest one in Gor-yachinsk and Tsenkher hydrotherms. Calcite sediment was formed in the microbial mat of springs Alla and Garga, and silicate minerals were formed in Uro and Seya.
Keywords: elemental composition, carbonates, microbial mats, calcite, hydrotherms, sediment.
Байкальский регион отличается богатым разнообразием минеральных источников [1]. Высокая температура и поступление с термальными водами биогенных элементов благоприятствуют формированию микробных матов. Мат является высокоинтегрированной сбалансированной экосистемой со сложно организованной трофической структурой. Продуцентами и эдификаторами микробных матов являются цианобактерии, которые участвуют в процессах синтеза органических веществ и образовании биогенных минералов. Цианобактерии были одними из первых организмов, способных к биоминерализации - процессу, посредством которого живые организмы способствуют образованию минералов. Кроме собственно аккумуляции отдельных элементов и биогенного осаждения минералов микроорганизмы создают благоприятные условия для образования таких минералов, как карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты. Микробное сообщество гидротерм играет важную роль в образовании карбонатных пород, в частности травертина. Наибольший вклад в осаждение карбоната кальция вносят цианобактерии, удаляющие неорганический углерод из раствора и нарушающие карбонатное равновесие [2].
Целью работы было определение и сравнение CHN-элементного состава микробных матов гидротерм Прибайкалья.
Объекты и методы исследования - термальные источники Алла, Гарга, Сеюя, Уро, Горячинск, Умхэй. Пробы микробных матов были отобраны в 2011-2013 гг., высушены в лабораторных условиях. Высушенный образец тщательно перетирали в агатовых ступках. Определение элементного состава проводили на CHNS/O-элементном анализаторе 2400 Perkin Elmer (США), изучение минералов в составе микробного мата проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi TM 1000 c детектором TM 1000 EDS (Япония).
Результаты и обсуждение
На территории Байкальской рифтовой зоны широко распространены термальные воды малой минерализации (< 0,5-1,0 г/дм3). Все источники относятся к щелочным, значения рН варьировали от 8,3 до 9,8, состав вод - гидрокарбонатно-натриевый, сульфатно-натриевый с довольно высоким содержанием кремния (до 100 мг/дм3).
С помощью термогравиметрического анализа впервые было определено содержание общего углерода, водорода и азота в микробном мате (табл.). Наибольшее содержание углерода (С0бЩ) выявлено в мате источников Гарга, Алла, Сеюя, Умхэй и Уро.
Большая часть углерода приходится на органическую часть, которая представлена углеводами, что связано с накоплением их в составе клеточных стенок, слизистых чехлов цианобактерий и экзополи-меров, структуроформирующих компонентов матов [3]. Ранее было показано, что исследованные микробные маты характеризовались высоким содержанием золы, что, по-видимому, обусловлено двумя компонентами: силикатами, способными осаждаться на поверхности цианобактериальных матов, содержание золы в которых может достигать 50-70 %, а также карбонатами, которые могут осаждаться цианобактериями в виде солей кальция [4].
Показано, что содержание кальция в микробных сообществах Баргузинской долины напрямую зависит от образования кальцита, формирование которого в микробном мате происходит в том случае, когда в среде содержание кальция превышает 10 мг/дм3 [4]. Воды Горячинского, Умхейского, Урин-ского и Сеюйского источников содержат не более 8 мг/л кальция, а Гаргинского Аллинского - 23 и 31 мг/дм3 соответственно (табл. 1).
Таблица 1
Физико-химический состав микробных матов
Проба, станция Т 0С рН СО32-*, мг/дм3 HCO3*", мг/дм3 Са2+*, мг/дм3 Содержание элементов*, %
С H N
Гарга 13-2 43 8,3 83,0 90 23 25,85 3,08 0,79
Уро 12-4 31,0 9,1 25,2 45,1 6,01 22,69 3,46 2,87
Цэнхэр 04-7 83 9,8 0 110,8 7,7 6,19 0,74 0,59
Алла 12-6 40,5 9,4 0 106 31 14,06 1,08 0,95
Умхэй 12-2 48 9,6 0 130,5 8,0 15,75 1,85 2,07
Сеюя 11-1 52 9,5 24,0 97,6 1,7 36,18 5,14 2,87
Горячинск-12-1 51 8,8 54 48,8 0,71 7,04 0,52 0,63
* - использование различных методов при определении химического состава может приводить к ошибке при суммировании, доходящей до 10 %. Тем не менее это позволяет сравнивать источники по каждому отдельному параметру между собой.
С помощью сканирующей электронной микроскопии с рентгеноспектральным детектором было показано, что в микробном мате источников Алла и Гарга происходило осаждение кальцита (рис. 1). Тогда как в источниках Уро и Сеюя формировались силикатные минералы (рис. 2), такие как кварц, анортит и альбит (по данным РФА) [5]. В гидротермах Умхэй и Горячинск из-за низкого содержания Са2+ образование кальцита не происходило. Относительно высокое содержание С0бЩ (36 %) источника Сеюя, по-видимому, обусловлено в большей степени углеродом органического происхождения, так как содержание азота в нем составляет почти 3 %, что в 3,5 раза выше, чем в остальных источниках. Напротив, содержание азота было наименьшим в тех источниках, где С0бЩ было высоким, за счет, вероятно, образующихся карбонатных и силикатных минералов.
Полученные результаты показывают, что относительно высокое содержание С0бЩ и малые количества N (0,6-1 %) выявлены в источниках Гарга и Алла, где происходило отложение карбоната кальция. В гидротермах Сеюя, Уро и Умхэй содержание азота составляло почти 3 %. Значительные количества С0бщ(15-36 %), по-видимому, обусловлены в большей степени углеродом органического происхождения.
5рес1тт1 Са £ А] А1 :а Са * 1 С"
0 2 4 6 В « 12 14 16 18 20 ч||$н1е11Юй8С1гя]гОЖ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 15 20 "и113св1е 100 йзСигзог: 0.000 кеУ
Рис. 1. Кристаллы кальцита, формирующиеся в цианобактериальном мате и их химический состав: А - Аллинского источника; Б - Гаргинского источника
Рис. 2. Минералы, формирующиеся в цианобактериальном мате источника Сеюя и их химический состав
Литература
1. Водные системы Баргузинской котловины / В. В. Хахинов [и др.]. - Улан-Удэ: Изд-во Бурят. гос. ун-та, 2007. - 154 с.
2. Морис П. Поверхность и межфазные границы в окружающей среде. От наноуровня к глобальному масштабу. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. - 540 с.
3. Дмитриева О. М., Бархутова Д. Д., Калашников А. М. Углеводный состав цианобактериальных матов содовых озер и термальных источников Байкальского региона // Вестник Бурятского государственного университета.- 2011. -Вып. 3. - С. 80-84.
4. Минералообразование в цианобактериальных матах щелочных гидротерм Баргузинской впадины Байкальской риф-товой зоны / Е. В. Лазарева [и др.] // Докл. РАН. - 2010. - Т. 430, № 5. - С. 675-680.
5. Будагаева В. Г., Бархутова Д. Д., Доржиева С. Г. Минералообразование в микробных матах термальных источников Байкальской рифтовой зоны // Вестник Бурятского государственного университета. - 2014. - Вып. 3. - С. 65-68.
References
1. Namsaraev B. B., Khakhinov V. V., Garmaev E. Zh. et al. Vodnye sistemy Barguzinskoi kotloviny [Water systems of Bar-guzin basin]. Ulan-Ude: Buryat State University Publ., 2007. 154 p.
2. Maurice P. Environmental Surfaces and Interfaces from the Nanoscale to the Global Scale. New York: John Wiley & Sons, 2009.
3. Dmitrieva O. M., Barkhutova D. D., Kalashnikov A. M. Uglevodnyi sostav tsianobakterial'nykh matov sodovykh ozer i ter-mal'nykh istochnikov Baikal'skogo regiona [Carbohydrate composition of cyanobacterial mats of Baikal region soda lakes and hot springs]. Vestnik Buryatskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya «Khimiya, fizika» - Bulletin of Buryat State University. Series "Chemistry, Physics". 2011. Pp. 80-84.
4. Lazareva E. V., Bryanskaya A. V., Zhmodik S. M et al. Mineraloobrazovanie v tsianobakterial'nykh matakh shchelochnykh gidroterm Barguzinskoi vpadiny Baikal'skoi riftovoi zony [Mineralization in cyanobacterial mats of alkaline hydrotherms in Barguzin basin of Baikal Rift Zone]. Doklady RAN - RAS Reports. 2010. V. 430. No. 5. Pp. 675-680.
5. Budagaeva V. G., Barkhutova D. D., Dorzhieva S. G. Mineraloobrazovanie v mikrobnykh matakh termal'nykh istochnikov Baikal'skoi riftovoi zony [Mineralization in microbial mats of Baikal Rift Zone thermal springs]. Vestnik Buryatskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya «Khimiya, fizika» - Bulletin of Buryat State University. «Series Chemistry, Physics». 2014. Pp. 65-68.
