CC BY
77
УДК 579.26
ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОТЕРМЫ КУЧИГЕР*
* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 15-04-01275, 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
© Намсараев Баир Бадмабазарович, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией микробиологии Института общей и экспериментальной биологии СО РАН Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail: [email protected]
Изучены физико-химические условия и активность микробного сообщества гидротермы Кучигер. Фото-трофные и хемотрофные микроорганизмы активно участвуют в процессах продукции и деструкции органического вещества, формировании химического состава вод и лечебных илов источника. Ключевые слова: физико-химические показатели, активность микробного сообщества, термальный источник Кучигер, Байкальская рифтовая зона, продукции и деструкции органического вещества.
HYDROCHEMICAL AND MICROBIOLOGICAL CHARACTERISTICS OF KUCHIGER HYDROTHERM
Budagaeva Valentina G., postgraduate, laboratory of Microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS
6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Ustinova Olesya V., postgraduate, Buryat State University, laboratory of Microbiology 24a, Smolina, Ulan-Ude, 670000, Russia
Barkhutova Darima D., candidate of biological sciences, senior research, Institute of General and Experimental Biology SB RAS 6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Namsaraev Bair B., Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of laboratory of Microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS 6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
The physical-chemical conditions and activity of the microbial community of Kuchiger hydrotherm were studied. Phototrophic and chemotrophic microorganisms are actively involved in the processes of production and destruction of organic matter, in the formation of water chemical composition and therapeutic muds of spring. Keywords: physical-chemical characteristics, activity of microbial community, thermal spring Kuchiger, Baikal rift zone, production and destruction of organic matter.
В Байкальской рифтовой зоне широко распространены азотные гидротермы [1]. Такие термальные воды формируются в зонах тектонических разломов, где химический состав и газовый состав определяются температурой вмещающих пород и интенсивностью водообмена атмосферных осадков, поверхностных и подземных вод. Формирование источников неоднородного химического состава определяется процессами поступления метеорных вод, смешиванием их с поступающими снизу водными флюидами и взаимодействием вод с породами. Физико-химические условия в источниках определяют развитие микробных сообществ. Температура изливающихся вод равна 20-81 °С, минерализация - 1.0 г/дм3, значения pH 7,5-10,3. В газовом составе термальных вод преобладает азот (обычно занимает более 98 % объема), содержание углекислого газа иногда достигает 3-4, водорода 0,3-0,6 об.%.
В некоторых источниках, имеющих сульфатно-гидрокарбонатный или гидрокарбонатно-сульфатный состав вод, установлен сероводород до 31 мг/дм3.
Высокая температура, поступление макро- и микроэлементов с подземными водами благоприятствуют активной деятельности микроорганизмов, которые участвуют в круговороте биогенных элементов в лито- и биосфере [2, 3]. Разнообразие экологических условий в местах выхода подземных вод определяет особенности функционирования микробных сообществ гидротерм.
В статье представлены результаты исследования физико-химических условий и активности микробного сообщества гидротермы Кучигер.
Объект и методы исследования
Группа термальных источников Кучигер расположена на территории 200 х 250 м2, находится в северной части Баргузинской котловины на высоте 570 м над уровнем моря [3].
На месте отбора проб измеряли температуру, рН (Eh) и минерализацию воды. Концентрацию карбонатов, сульфатов, сульфидов определяли титрованием [4]. Активность фотосинтеза и темновой фиксации углекислоты определяли в изолированных пробах с радиоактивным 14С бикарбонатом, сульфатредукцию - с меченным 3^-сульфатом, метаногенез - с меченным по 14С бикарбонатом [5]. Пробы воды, микробных матов и осадков помещали в стеклянные флаконы объемом 20 мл и экспонировали в течение 4-10 ч in situ.
Результаты и обсуждение
За период проведения исследований с 1994 г. по настоящее время температура не изменилась и равна 40-52 °С, рН 9,2-10,2. Содержание гидрокарбонатов варьировало в пределах 27,4-109,8 мг/дм3, хлоридов 14,2-17,7 мг/дм3, сульфатов 67,8-136,9 мг/дм3, сероводорода до 31,96 мг/дм3. В зависимости от времени года вода видоизменяет свой химический состав [2]. В летние месяцы преобладают гидрокарбонаты, в зимний период значительно увеличивается удельный вес сульфатов. Отмечено повышенное содержание редкоземельных элементов. По химическому составу вода относится к фтористому сероводородному гидрокарбонатно-сульфатному натриевому типу и по лечебным свойствам аналогична воде Кульдур (Еврейская автономная область).
Таблица 1
Химический состав воды источника Кучигер, 2005 г. (мг/дм3)
Станция Ca2+ Mg2+ Na+ и К+ Cl" SO42- HCO3- CO32- s2-
Колодец 8,02 2,43 117,07 14,2 126,25 52,46 54,00 31,96
Грифон 8,02 3,65 95,45 10,65 97,45 31,72 60,00 20,52
Баня 6,01 3,65 84,64 7,10 106,30 24,40 44,40 4,27
Дальний 8,02 19,46 46,46 10,30 75,31 53,68 38,40 2,07
Термальные воды, проходя через рыхлые отложения и обогащая их сероводородом, создают значительные запасы лечебных сульфидных иловых грязей. Содержание Сорг в илах и матах составляет 1,1-19,2 %. Запасы лечебной грязи обладают хорошими вязко-пластичными свойствами, ориентировочно оцениваются в 30-40 тыс. м3. Это иловые отложения источника, в которые поступает большое количество растворенных минеральных веществ, особенно сульфатных ионов, и твердых, как правило, глинистых частиц с содержанием железа [6]. Илы обладают большой поглотительной способностью задерживать в себе газы и соли из воды источников.
Физико-химические условия благоприятствуют деятельности микроорганизмов. На выходах горячих ручьев развиваются микробные маты, эдификаторами в которых являются цианобактерии, фотобактерии и хемолитотрофы (табл. 2). В источнике «Дальний» слоистый цианобактериальный мат содержал пурпурные бактерии морфотипа Скгота^ит 8р. В источнике «Старый колодец» цианобактериальный мат имел толщину 1,5 см и состоял из 5 слоев. Формообразующими организмами циано-бактериальных матов были нитевидные цианобактерии Oscillatoria 8р. и РЬогт&иш 8р. Содержание хлорофилла а в слоях микробного мата варьировало от 0,38 до 3,2 мг/см2. При более низких температурах и снижении концентрации сероводорода в ручье обнаружены скопления белых нитей, прикреп-
ленных ко дну ручья. Они определены как бактерии морфотипа Beggiatoa sp. и Thiothrix sp.
На начальных стадиях деструкции органического вещества участвуют гидролитические микроорганизмы, разлагающие высокополимерные соединения. В разложении белка и пептидов участвуют протеолитические микроорганизмы. Аэробные и анаэробные протеолитики, целлюлолитики и сапрофита обнаружены во всех исследуемых пробах. Их количество варьировало в зависимости от места отбора пробы. Максимальная численность аэробных протеолитиков составляла 100 000 кл/мл, а анаэробных - 1000 кл/мл. Численность анаэробных целлюлолитиков достигала 100-1000 кл/мл, аэробных - 10-100. Численность сапрофитов в источниках варьировала в широких пределах в зависимости от физико-химических условий среды обитания. Максимальная численность аэробных сапрофитов была равна 2 500 000 кл/мл. Количество анаэробов-сапрофитов в микробных матах достигало 100 000 кл/мл.
Морфологическое изучение видового состава накопительных культур и изолированных колоний бактерий-деструкторов выявило их большое разнообразие. Культуры сапрофитных и протеолитиче-ских бактерий были представлены палочковидными и округлыми формами. Палочковидные бактерии (Bacillus sp., Pseudomonas sp.) обладали разной подвижностью. Среди них встречались Грам- и Грам+ бактерии. Сапрофита и протеолитики образовывали бесцветные, белые и пигментированные колонии. Целлюлолитики были представлены подвижными споровыми и неспоровыми палочковидными бактериями морфотипов Clostridium sp. и Cellvibrio sp. Среди сульфатредуцирующих микроорганизмов преобладали Грам-бактерии в форме вибриона (Desulfovibrio sp.) и споровые палочковидные Грам+ бактерии (возможно, Desulfotomaculum sp.).
Таблица 2
Микробные сообщества источников Кучигер
Место отбора Т, °С Описание пробы
Грифон 42,0 Серый ил
Ручей 30,0 Скопления белых нитей, прикрепленных ко дну
Колодец 32,0 Цианобактериальный мат толщиной 1,5 см, состоящий из 5 слоев: 1) бурая поверхность с бугристыми отростками, 2) студенистый, зеленого цвета (3 см), 3) белесые лохмотья (0,1-0,2 см), 4) розовый с белыми прожилками (0,5 см), 5) разлагающаяся масса черного цвета
Дальний 34,0 Тонкий цианобактериальный мат зеленого цвета с белыми и пурпурными пятнами
Была изучена интенсивность микробного разложения белка и целлюлозы in situ при помощи аппликационного метода (табл. 3). Исследования показали, что среднесуточная скорость разложения белка в термальных источниках варьировала от 1,7 до 2,8 %. Максимальные значения этого процесса выявлены в роднике «Грифон» источника Кучигер. Скорость разложения целлюлозы в исследуемых сероводородных источниках была ниже скорости разложения белка и составляла 1,1-1,7 % в сутки. Целлюлолитическая активность микробного сообщества была примерно одинакова в диапазоне температур 30-42 °С.
Таблица 3
Разложение белка и целлюлозы в источник Кучигер
Станция Температура, °С Разложение, % в сутки
белка целлюлозы
Грифон 42,0 2,80 1,70
Дальний 34,0 2,20 1,50
Ручей 30,0 1,70 1,10
Микробные сообщества гидротермы Кучигер являются высокопродуктивными системами. Скорость продукции органического вещества достигала 17,921 г С/м2 в сут. в цианобактериальном мате и 5,189 и 6,070 г С/м2 в сут. в матах «Грифон» и «Старый колодец» соответственно.
Из терминальных процессов деструкции органического вещества в сероводородных источниках нами были изучены бактериальное образование метана и сульфатредукция.
Поступление значительных количеств сульфатов и легкоразлагаемых органических веществ способствует деятельности сульфатредуцирующих бактерий. В гидротерме Кучигер скорость сульфат-редукции достигала 0,12-0,5 мг 8/кг сут. Максимальная скорость выявлена в источнике «Колодец». Скорость образования метана в гидротерме составляла 2,6-24,5 мкл СН4/кг сут. Наибольшая скорость была выявлена в микробных матах со станции «Колодец». Расход органического углерода бактериями в процессах сульфатредукции и метаногенеза приведен в таблице 4. В иловых отложениях и микробных матах изученных источников основной поток органического вещества используется для восстановления сульфатов. В большинстве проб сульфатредукторы используют на порядок больше органического вещества, чем метаногены. За сутки в 1 кг ила сульфатредукторами расходуется 0,09-0,4 мг С, тогда как метаногенами - 0,008-0,033 мг С. Активная деятельность сульфатредукторов объясняется относительно высокой концентрацией сульфатов, достигающей 106,3 мг/дм3. Сульфат-ионы поступают с подземными водами и образуются в ручьях по изливу в результате химического и микробиологического окисления сероводорода. Субстраты сульфатредуцирующих бактерий (низкомолекулярные органические вещества) образуются первичными анаэробами при деструкции автохтонного и аллохтонного органического вещества источников.
Таблица 4
Скорость микробиологических процессов сульфатредукции и метаногенеза
Место отбора Тип пробы T,°C Сульфатредукция Метаногенез
mtS/кг сут. mtC/кг сут. MraCH4/Kr сут. mtC/кг сут.
Грифон Темно-серый ил 41 0,4 0,3 10,9 0,033
Ручей Белый мат 33,7 0,12 0,09 2,6 0,008
Колодец Цианобактериальный мат 36,7 0,50 0,4 24,5 0,07
Таким образом, проведенные исследования показали, что в местах выхода источника Кучигер и теплом ручье формируются микробные сообщества. Специфичность этих сообществ и функциональная активность микроорганизмов определяются физико-химическими условиями среды обитания: температурой, освещением и химическим составом воды. Количественная оценка активности микроорганизмов показывает, что фототрофные и хемотрофные микроорганизмы активно участвуют в процессах продукции и деструкции органического вещества, формировании химического состава вод и лечебных илов источника Кучигер.
Литература
1. Борисенко И. М., Замана Л. В. Минеральные воды Бурятской АССР. - Улан-Удэ: Бурят. кн. изд-во, 1978. - 162 с.
2. Микробные сообщества щелочных гидротерм / 3. Б. Намсараев, В. М. Горленко, Б. Б Намсараев., Д. Д. Бархутова. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 111 с.
3. Геохимическая деятельность микроорганизмов гидротерм Байкальской рифтовой зоны / Б. Б. Намсараев [и др.]. -Новосибирск: Гео, 2011. - 302 с.
4. Алекин О. А., Семенов А. Д., Скопинцев Б. А. Руководство по химическому анализу вод суши. - Л.: Гидрометеоиз-дат, 1973. - 280 с.
5. Кузнецов С. И., Дубинина Г. А. Методы изучения водных микроорганизмов. - М.: Наука, 1989. - 288 с.
6. Водные системы Баргузинской котловины / В. В. Хахинов [и др.]. - Улан-Удэ: Изд-во Бурят. гос. ун-та, 2007. - 152 с.
References
1. Borisenko I. M., Zamana L. V. Mineral'nye vody Buryatskoi ASSR [Mineral water of Buryat ASSR]. Ulan-Ude: Buryat book publ. 1978. 162 p.
2. Namsaraev Z. B., Gorlenko V. M., Namsaraev B. B., Barkhutova D. D. Mikrobnye soobshchestva shchelochnykh gidroterm [Microbial communities of alkaline hydroterms]. Novosibirsk: SB RAS Publ., 2006. 111 p.
3. Namsaraev B. B., Barkhutova D. D., Khakhinov V. V. et al. Geokhimicheskaya deyatel'nost' mikroorganizmov gidroterm Baikal'skoi riftovoi zony [Geochemical activity of microorganisms in Baikal Rift Zone hydroterms]. Novosibirsk: Geo, 2011. 302 p.
4. Alekin O. A., Semenov A. D., Skopintsev B. A. Rukovodstvo po khimicheskomu analizu vod sushi [Guidance on chemical analysis of surface water]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1973. 280 p.
5. Kuznetsov S. I., Dubinina G. A. Metody izucheniya vodnykh mikroorganizmov [Methods of aquatic organisms studying]. Moscow: Nauka, 1989. 288 p.
6. Namsaraev B. B., Khakhinov V. V., Plyusnin A. M. et al. Vodnye sistemy Barguzinskoi kotloviny [Water systems of Barguzin basin]. Ulan-Ude: Buryat State University Publ., 2007. 152 p.
