CC BY
29
УДК 574.5: 579.26: 579.68
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЗЕРА ЧЕРИК-КЕЛЬ (КАБАРДИНО-БАЛКАРСКАЯ РЕСПУБЛИКА)
© 2013 г. В.Т. Хмурчик
Хмурчик Вадим Тарасович - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник, лаборатория геологии техногенных процессов, Естественно-научный институт Пермского государственного национального исследовательского университета, ул. Генкеля, 4, г. Пермь, 614990, e-mail: [email protected].
Khmurchik Vadim Tarasovich - Candidate of Biological Science, Leading Researcher, Laboratory of Geology of Technogenic Processes, Natural-Science Institute of Perm State University, Genkel, St., 4, Perm, Russia, 614990, e-mail: [email protected].
Исследовали проточное карстовое озеро Черик-Кель (Северный Кавказ). Образцы воды и донных отложений были отобраны с глубины 40 м от поверхности озера. Методом предельных десятичных разведений определяли численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий. Численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий в пробах воды составляла 9,5 кл/мл. Такие величины численности не характерны для наземных водоемов, но сопоставимы с численностью этих групп бактерий в водоносных горизонтах сульфатно-кальциевого типа вод. В пробах донных отложений численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий составляла 2,5 ' 10 клеток в 1 г сырого ила и соответствовала таковой в донных отложениях многих наземных водоемов.
Ключевые слова: карстовое озеро, донные отложения, численность микроорганизмов, гетеротрофы, аммонификато-ры, бактериальная сульфатредукция.
Karst lake with running water Cherik-Kel (North Caucasus) were investigated. Samples of water and sediments were taken at the depth of 40 m below water surface. The number of heterotrophic and ammonifying bacteria was determined with MPN (most probable number) technique. The number of heterotrophic and ammonifying bacteria in the water was 9,5 cells/ml. That number was not characteristic of known water reservoirs, but corresponded to subsurface waters of sulfate-calcium type. The number of heterotrophic and ammonifying bacteria in the lake sediments was 2,5 . 106 cells in 1 g of wet sediment, and corresponded to that in sediments of many water reservoirs.
Keywords: karst lake, sediments, number of microorganisms, heterotrophs, ammonifyers, bacterial sulfate-reduction.
Жизнь в водоеме, основные биологические процессы теснейшим образом связаны с окружающими ландшафтно-географическими условиями, в которых решающее значение принадлежит почвам водосборной площади, характеру растительных ассоциаций, количеству атмосферных осадков. Из всех населяющих водоемы существ бактерии наиболее устойчивы к неблагоприятным воздействиям внешней среды и в то же время наиболее быстро и тонко реагируют на ее изменения. В водоемах микроорганизмам принадлежит громадная роль в круговороте всех элементов, в продукции, трансформации и доведении до высших организмов органического вещества, в очистке водоемов и улучшении качества воды. Круговорот химических элементов в водоемах теснейшим образом связан с поступлением органического вещества, его продукцией и деструкцией. Интенсивность деструкции органических соединений зависит от типа и особенностей водоема. Легкоусвояемые органические соединения, как правило, разлагаются почти полностью в течение года. Гетеротрофные микроорганизмы являются важной составной частью экосистемы озера -они отвечают за процессы разложения органического вещества в воде и донных осадках, используя его в качестве источника энергии и конструктивного материала. При разложении органических веществ в окружающей среде наблюдается интенсивный поток метаболитов - постоянное их образование и потребление. В естественных условиях доминируют сложные метабиотические связи, в которых продукты обмена одних групп микроорганизмов сразу же подхватываются другими группами. Круговорот биогенных
элементов - N P, S, Fe, Mn, Ca и др. - теснейшим образом связан с метаболизмом углерода как прямо, так и косвенно через изменение физико-химических условий среды. Через цикл углерода осуществляется взаимосвязь между всеми биогеохимическими циклами. Отдельные элементы, проходя различные стадии круговорота с участием микроорганизмов, вновь включаются в органическое вещество, и таким образом круговороты элементов взаимодействуют. Аммонифицирующие бактерии минерализуют белковый азот отмерших гидробионтов. Обладая лишь хемоор-ганогетеротрофным типом обмена, они ведут трансформацию органических веществ белковой природы с образованием аммиака. Процессы аммонификации определяют сукцессии других физиологических групп микроорганизмов, участвующих в цикле азота [1]. Постоянный обмен сложными и простыми химическими соединениями наблюдается и между водой и донными отложениями: азотсодержащие органические вещества, которые не успели минерализоваться в водной толще, поступают в донные отложения и разрушаются там [2].
В то же время в карстовых озерах микрофлора остается малоизученной: так, микробиологические исследования проводились на озерах Марийской АССР, обзор результатов исследований представлен в [1]. Однако эти озера по своему происхождению являлись провальными, т.е. их донные отложения образовались в результате трансформации погруженных в воду почвенных слоев, а исследования были в основном направлены на изучение именно донных отложений. Также проводились микробиологические исследова-
ния воды проточных карстовых озер Пермского Пред-уралья: определялась численность метанобразующих и метанокисляющих микроорганизмов, а также скорость процессов образования и окисления метана [3]. В фокусе этого исследования был «цикл метана» в подземных водах, а карстовые озера рассматривались как места вскрытия подземных водоносных горизонтов, донные отложения озер не исследовались.
Цель данной работы - определение численности гетеротрофных и аммонифицирующих микроорганизмов в воде и донных отложениях карстового озера Черик-Кель (Кабардино-Балкарская Республика).
Объект и методы исследования
Озеро Черик-Кель находится на дне долины р. Че-рек у северного подножия Скалистого хребта (Северный Кавказ) в 40 км к югу от г. Нальчика. Озеро представляет собой карстовую форму, созданную в верхнеюрских и нижнемеловых гипсоносных известняках деятельностью восходящих под напором артезианских вод. Оно имеет форму удлиненного по меридиану четырехугольника, западная и южная части которого представляют собой неглубокую ванну с глубиной, не превышающей 41 м. Вдоль северной половины восточного берега, захватывая и центральные части озера, располагается глубоководная часть, представляющая собой колодец с отвесными стенками и эллиптическим в плане сечением. Максимальная измеренная глубина составляет 258 м. Озеро питается исключительно за счет подземного притока воды и представляет собой место выхода на поверхность напорных артезианских вод. Вода имеет голубовато-зеленый цвет, прозрачность ее колеблется в больших пределах. Температура ее сохраняется однообразной на всю глубину и равна 9,3 °С. Из озера вытекает речка, впадающая затем в Черек. У речки чувствуется запах сероводорода, а дно ее покрыто тонким налетом желтовато-белого вещества [4].
Объектами исследования служили пробы воды и ила, отобранные в июне 2012 г. сотрудниками ООО «Научно-исследовательский подводный центр «Голубое озеро» (КБР, Черекский район) в две стерильные пластиковые емкости объемом 100 см3 с глубины 40 м от водной поверхности на краю глубоководного колодца в ходе глубоководного погружения и предоставленные автору, за что он выражает свою благодарность. Численность физиологических групп микроорганизмов определяли высевом из последовательных десятичных разведений на соответствующие жидкие элективные среды с последующим расчетом по таблицам Мак-Креди [5]. Для учета численности гетеротрофных микроорганизмов использовали мясо-пептонный бульон, разведенный в 10 раз, с добавлением 1 г/л глюкозы. Учет численности аммонифицирующих бактерий производили в растворе 2%-го пептона с добавлением 20 мл/л индикатора (0,1%-й раствор бромтимолового синего и 0,1%-й раствор нейтрального красного, 4:1). Стерильная среда с индикатором имела красно-бурую окраску при нейтральной кислотно-щелочной реакции среды [6]. Для приготовления разведений и сред использовали раствор минеральных солей, приближенный по химическому со-
ставу к воде озера: KCl - 0,007 г, NaCl - 0,020 г, CaSO4 - 1,019 г, MgCO3 - 0,141 г, H2O дист. - 1 л [4]. Среды разливали по 5 мл в пробирки с ватно-марлевыми пробками и стерилизовали в течение 30 мин автоклави-рованием при 0,5 атм. Из разведений засевали по три пробирки каждой среды. Незасеянные пробирки со средами (по 3 шт. на каждую среду) служили в качестве контроля. Засеянные и контрольные пробирки инкубировали 7 сут в термостате при 9 °С. О развитии гетеротрофных микроорганизмов судили по помутнению среды, бактерий-аммонификаторов - по появлению синей окраски среды вследствие ее защелачива-ния образующимися ионами аммония.
Результаты и обсуждение
Численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий в воде озера была низкой и составляла 9,5 кл/мл. Как правило, численность гетеротрофных бактерий в наземных водоемах разного класса трофности находится в пределах 105^107 кл/мл [1, 2]. Низкая величина численности микроорганизмов может быть обусловлена применением метода учета, основанного на культивировании микроорганизмов, который дает сильно заниженный результат [7, 8]. С другой стороны, широкое использование методов учета численности отдельных физиологических групп микроорганизмов, основанных на культивировании, в прошлом (за отсутствием других, более точных методов), а также использование их в настоящее время наряду с молекулярно-генетическими методами [9], которые также имеют свои ограничения и недостатки [10, 11], позволяет сопоставить полученные нами данные с данными других исследователей. Так, близкие к полученным величинам численности микроорганизмов были обнаружены в период межени в воде родников, вскрывающих подземные воды сульфатно-кальциевого типа [12]. Озеро Черик-Кель также питается за счет подземных вод сульфатно-кальциевого типа [4], что может объяснить схожесть результатов по численности микроорганизмов исследуемых физиологических групп. По нашему мнению, мы можем ожидать увеличения численности гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий в пробах воды, отобранных в весенний и осенний периоды, по аналогии с родниками, в которых в периоды половодья численность данных групп микроорганизмов возрастала вследствие поступления в водоносный горизонт добавочного количества органических веществ за счет инфильтрации с поверхности [12]. Правильность предположения требует подтверждения исследованием проб, отобранных в соответствующий гидрологический период. Численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий в донных отложениях озера Черик-Кель находилась на уровне 2,5 . 106 клеток в 1 г сырого ила. Такие значения величин численности характерны для донных отложений многих наземных водоемов и свидетельствуют о протекании в донных отложениях процессов разложения органического вещества [1, 2].
При натурном обследовании озера сотрудником ЕНИ ПГНИУ (г. Пермь) У.В. Жаковой летом 2011 г. было обнаружено периодическое выделение вдоль берегов озера пузырьков газа, имеющего запах сероводорода. То, что вода озера имеет сероводородный
запах, было отмечено ранее [4]. Выделение газа, содержащего сероводород, говорит о протекании анаэробных бактериальных процессов: сульфатредукции и, возможно, метаногенеза. Известно, что концентрация сульфатов определяет, какой процесс - сульфат-редукция или метаногенез - может стать доминирующим в разрушении органического вещества, но не исключает их одновременного существования при наличии сульфатов [1]. Источником энергии для этих процессов служит органическое вещество, поступающее с поверхности с инфильтрационными водами в водоносный горизонт, питающий озеро. По нашему мнению, расход органического вещества в ходе анаэробных бактериальных процессов может быть той причиной, которая обусловила низкую численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий в воде озера, так как для более интенсивного развития этих групп микроорганизмов количества поступающего водорастворенного органического вещества, по-видимому, оказалось недостаточно. Окисление сероводорода кислородом воздуха (возможно, при непосредственном участии соответствующих микроорганизмов) ведет к образованию тонкодисперсной серы, отложение которой на дне водоема может образовывать тот «тонкий налет желтовато-белого вещества», который отмечен в [4]. Не исключено также протекание процессов сульфатредукции и метаногенеза внутри самих гипсоносных пород, слагающих стенки берегов озера. Протекание бактериального процесса сульфатредукции подтверждается наличием сероводорода (одного из конечных продуктов процесса), определяемого по характерному запаху. Соответственно, представляет интерес проведение анализа состава выделяющегося газа на наличие/отсутствие метана для подтверждения наличия/отсутствия бактериального процесса метаногенеза.
Выводы
Проточное карстовое озеро Черик-Кель, расположенное у северного подножия Скалистого хребта Северного Кавказа и образовавшееся в результате эрозионной деятельности подземных вод в гипсоносных известняках, представляет собой место выхода на дневную поверхность артезианских вод [4]. По нашему мнению, растворение гипса водоносных пород, ведущее к появлению в воде сульфат-ионов, а также поступление в водоносный горизонт с инфильтрационными водами водорастворенных органических веществ обусловливают развитие в водоносном горизонте анаэробных бактериальных процессов, в частности, восстановления сульфатов, обнаруживаемого по характерному запаху сероводорода (одного из конечных продуктов процесса). Определена численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий в отобранных с глубины 40 м от поверхности озера пробах воды, которая оказалась низкой и составляла 9,5 кл/мл для каждой из групп бактерий. Такие величины численности не характерны для наземных водоемов, но сопоставимы с
Поступила в редакцию_
численностью этих групп бактерий, обнаруженной ранее в водоносных горизонтах сульфатно-кальциевого типа вод [12]. По-видимому, низкая численность исследованных групп бактерий была обусловлена низким содержанием необходимого для их развития органического вещества, которое было израсходовано на анаэробные бактериальные процессы, например, сульфат-редукцию. Численность гетеротрофных и аммонифицирующих бактерий в донных отложениях озера Че-рик-Кель соответствовала таковой в донных отложениях многих наземных водоемов и составляла 2,5 • 106 клеток в 1 г сырого ила. В связи с малой изученностью карстовых озер в целом, а проточных карстовых озер в частности продолжение исследований озера Черик-Кель, особенно в разные гидрологические периоды -периоды межени и половодья, представляет несомненный научный интерес.
Автор благодарит главу Кабардино-Балкарской Республики А.Б. Канокова и Администрацию Черекского района КБР за финансовую поддержку публикации.
Литература
1. Кузнецов С.И., Саралов А.И., Назина Т.Н. Микробиоло-
гические процессы круговорота углерода и азота в озерах. М., 1985. 213 с.
2. Романенко В.И. Микробиологические процессы продук-
ции и деструкции органического вещества во внутренних водоемах. Л., 1985. 295 с.
3. Рубинштейн Л.М. Микробиологические процессы обра-
зования и окисления метана в подземных водах Пермского Предуралья: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Пермь, 2003. 20 с.
4. Кузнецов И.Г. Озеро Церик-кель и другие формы карста
в известняках Скалистого хребта на Северном Кавказе // Известия государственного русского географического общества. 1928. Т. LX, вып. 2. С. 245-293.
5. Аникиев В.В., Лукомская К.А. Руководство к практиче-
ским занятиям по микробиологии. М., 1983. 127 с.
6. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных
микроорганизмов. М., 1989. 288 с.
7. Whitman W.B., Coleman D.C., Wiebe W.J. Prokaryotes: The unseen majority // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1998. Vol. 95. P. 6578-6583.
8. Rappe M.S., Giovannoni S.J. The uncultured microbial ma-
jority // Annual review of microbiology. 2003. Vol. 57. P. 369-394.
9. Zhang S.H., Hou S.G., Yang G.L., Wang J.H. Bacterial
community in the East Rongbuk Glacier, Mt. Qomolangma (Everest) by culture and culture-independent methods // Microbiological Research. 2010. Vol. 165. P. 336-345.
10. Bent S.J., Pierson J.D., Forney L.J. Measuring species rich-
ness based on microbial community fingerprints: the emperor has no clothes // Applied and environmental microbiology. 2007. Vol. 73, iss. 7. P. 2399.
11. Zinger L., Gobet A., Pommier T. Two decades of describing
the unseen majority of aquatic microbial diversity // Molecular Ecology. 2012. Vol. 21. P. 1878-1896.
12. Хмурчик В.Т. Бактериальная активность и физиологиче-
ские группы микроорганизмов цикла азота в подземных водах Пермского Прикамья: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Пермь, 1997. 20 с.
7 декабря 2012 г.
