CC BY
128
11. Jandovka L. F. Reproduktivnaja biologija i ekologija razmnozhenija predstavitelej rodov Cerasus, Microcerasus i Amygdalus (Rosaceae): Avtoref. ... dokt. biol. nauk. Рerm', 2012. 46 s.
12. Koehne E. Prunus L. // Plantae Wilsonianae. Cambridge. 1912. Vol. 1. P. 59-75.
13. Potter D., Eriksson T., Evans R. Phylogeny and classification of Rosaceae // Plant Sistematics and Evolution. 2007. N 266. P. 5-43.
14. Rehder A. Monksl of cultivated trees and Shrubs Hargi in North America. New York. 1949. 586 р.
15. Takhtajan A. Diversity and classification of flowering plants. New York, 1997. 643 p.
А. Д. Власов, Е. М. Нестеров, М. С. Зеленская
ОСОБЕННОСТИ МИКРОБНОЙ КОЛОНИЗАЦИИ ГРАНИТА В МОДЕЛИРУЕМЫХ УСЛОВИЯХ
(Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития РГПУ им. А. И. Герцена на 2012-2016 гг. (проект 2.3.1). Частично поддержана грантом РФФИ № 13-05-00815А и грантом СПбГУ № 1.37.151.2014)
Многие вопросы взаимодействия в системе «микроорганизмы — минералы» остаются недостаточно исследованными. Цель исследования состояла в изучении механизмов биовыветривания природного камня (гранита) под воздействием микроорганизмов в экспериментальных условиях. Разработана экспериментальная модель взаимодействия микроорганизмов и природного камня. Проведена серия экспериментов по искусственному заселению каменистого субстрата бактериями рода Bacillus в жидкой и воздушной среде. Исследованы особенности прикрепления микроорганизмов к граниту и слюде. Показано, что бактерии рода Bacillus способны избирательно прикрепляться к минералам породы, формировать биопленки, вызывая трансформацию поверхностного слоя субстрата.
Ключевые слова: биовыветривание, гранит, микроорганизмы, Bacillus subtilis, экспериментальная модель.
A. Vlasov, E. Nesterov, M. Zelenskaya
FEATURES OF GRANITE MICROBIAL COLONIZATION UNDER EXPERIMENTAL CONDITIONS
Many issues of interaction between microorganisms and minerals remain insufficiently studied. The purpose of the research was to investigate the mechanisms of natural stone (granite) bioweathering under the action of microorganisms in the experimental conditions. The experimental model of interaction between microorganisms and natural stone has been developed. A series of experiments on the colonization by bacteria Bacillus sp. of granite in liquid and air media have been carried out. The features of the microorganisms attachment to granite and mica have been studied. It has been shown that bacteria of the Bacillus sp. are capable of selective attaching to rock minerals, forming biofilms, causing surface layer transformation of the substrate.
Keywords: bioweathering, granite, microorganisms, Bacillus subtilis, experimental model.
Граниты относятся к числу наиболее прочных горных пород. В архитектуре Санкт-Петербурга преобладают розовые и серые граниты, которые различаются по происхождению, свойствам, долговечности. На граните выявлены многообразные формы повреждений, связанные с развитием биологических объектов. Так, например, памятники некрополей Александро-
Невской лавры активно заселяются водорослями, микроскопическими грибами, бактериями и лишайниками [1]. Особое значение в повреждении гранита отводится микроорганизмам, которые способны разрушать силикатные минералы. К их числу относят микроскопические грибы, фототрофные цианобактерии, хемолито- и хемоорганотрофные бактерии, микроскопические водоросли. Выделяя различные экзометаболиты, микроорганизмы способны специфично и селективно воздействовать на минеральный субстрат. Это связано со структурой минералов, а также с физиологическими особенностями самих микроорганизмов.
Бактерии и микроскопические грибы способны растворять минеральный субстрат, на котором они поселяются, переводя K, Na, P, Fe, Mg в растворимую и легко усвояемую организмами форму. Среди микроорганизмов, повреждающих гранит и другие силикатные породы, наиболее часто упоминаются бактерии рода Bacillus [2; 5; 6; 8]. Эти бактерии обладают высокой агрессивностью в отношении субстрата, прежде всего, за счет активной кислотопродукции и образования слизи. Известно, что бактерии рода Bacillus способны избирательно прикрепляться к минералам породы и использовать определенные элементы из минералов [3]. Выветривание гранита при поселении на породе бактерий рода Bacillus происходит за счет активного извлечения железа из слюд, входящих в состав гранита [7]. В результате биовыщелачивания происходит дробление породы и увеличивается суммарная поверхность гранул гранита. Несмотря на имеющиеся сведения, многие вопросы взаимодействия бактерий и минералов в различных экологических условиях остаются недостаточно исследованными.
Целью данной работы было изучение особенностей бактериальной колонизации гранита в экспериментальных условиях.
В модельных экспериментах по заселению гранита микроорганизмами использовали два штамма бактерий рода Bacillus: Bacillus subtilis (штамм 0.01), выделенный из гранита-рапакиви в карьере Монферрана (район Виролахти, Финляндия) и Bacillus subtilis (штамм 0.03), выделенный из гранита в восточной части Антарктиды (район расположения российской антарктической полярной станции «Прогресс»).
Для искусственного микробиологического заселения фрагментов гранита использовали водную суспензию, полученную из суточных культур бактерий. Концентрация бакте-
8 9
рий составила 10-10" клеток в 1 мл суспензии. Эксперимент проводился с каждым штаммом в отдельности, а также со смесью бактерий двух штаммов Bacillus subtilis. Фрагменты гранита-рапакиви (блоки размером 1 х 1 х 0,5 см) помещали в бюксы с дистиллированной водой и вносили туда суспензию бактерий (в стерильных условиях). Таким образом, были созданы условия, при которых бактерии могли использовать для своего развития следовые количества органического вещества, внесенные в тест-систему вместе с суспензией бактерий, а также компоненты самого субстрата (гранита). Учитывая известные сведения о предпочтительном бактериальном заселении и разрушении слюды, входящей в состав гранита, дополнительно в качестве субстрата в эксперименте использовали пластинки слюды размером 1 см2. Они также были инокулированы штаммами Bacillis subtilis по приведенной выше методике. Продолжительность экспонирования зараженных бактериями фрагментов гранита и слюды при температуре +28 0С составила 45 суток, после чего проводили анализ жизнеспособности бактерий (посев на питательную среду ГМФ и среду Мюллера — Хинтона). В качестве контроля фрагменты гранита и слюды помещали в стерильную дистиллированную воду без добавления бактерий. В начале и в конце эксперимента определяли значение рН водной среды. После завершения периода экспонирования оценивали распределение бактерий на поверхности гранита и слюды с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Для выяснения характера колонизации гранита и слюды в воздушной среде бактерии рода Bacillus высевали на твердую питательную среду Мюллера — Хинтона в чашки Петри, где они формировали слизистые колонии в течение 24 часов. На эту же среду (вблизи с бактериальными колониями) помещали фрагменты стерильного гранита и слюды. Культивирование проводилось в течение двух недель при температуре 28 оС, после чего фрагменты гранита и слюды были исследованы методом сканирующей электронной микроскопии в зоне контакта бактериальных колоний и минерального субстрата.
Материал просматривали в сканирующем электронном микроскопе Tescan MIRA3 LMU в диапазоне увеличений от 100х до 10 000х. Исследования проводились на базе ресурсного центра развития молекулярных и клеточных технологий СПбГУ.
Установлено, что во всех вариантах экспериментов на поверхности гранита и слюды развивались хорошо различимые биопленки, состоящие из клеток бактерий Bacillus subtilis и продуктов их жизнедеятельности (микробный матрикс). Кроме того, в состав формирующихся биопленок входили мелкие фрагменты разрушенного поверхностного слоя минерального субстрата. Электронно-микроскопические исследования показали, что микроорганизмы легко адгезируются на минеральном субстрате, концентрируются в структурных пространствах поверхностного слоя (в микротрещинах, в углублениях, в выветренных зонах), где они формируют биопленки, способные оказывать воздействие на субстрат (рис. 1, 2).
Рис. 1. Биопленка из бактерий Bacillus subtilis Рис. 2. Бактерии Bacillus subtilis
на выветренной поверхности гранита. в слизистой биопленке на поверхности слюды.
Эксперимент в водной среде Эксперимент в водной среде
Следует отметить, что концентрация бактерий на граните была наиболее заметна в зоне деструкции полевого шпата. Так, скопления клеток Bacillus subtilis наблюдались в зонах спайности кристаллов полевого шпата и местах образования микротрещин. Штаммо-вые различия в данном случае были незначительными (рис. 3-4).
Рис. 3. Клетки (эндоспоры) Bacillus subtilis (штамм 0.03) на полевом шпате. Эксперимент в водной среде
Слоистая структура слюды создает дополнительные возможности для закрепления и развития бактериальных биопленок. Так, в эксперименте на твердой среде была зафиксирована высокая концентрация бактерий Bacillus subtilis, образующих своеобразные цепочки клеток, на границах пластинок слюды (рис. 5).
Установлено, что бактерии рода Bacillus во всех вариантах сохранили свою жизнеспособность на 45-е сутки. В ходе проведения экспериментов они проявили способность изменять кислотность среды. Данные изменения были направлены в сторону увеличения значений рН. Так, в водной среде в ходе культивирования бактерий значение рН возрастало с 6,0 до 6,7 (для каждого из штаммов Bacillus subtilis), а при использовании смеси этих штаммов — с 6,0 до 7,0. Способность бактерий рода Bacillus подщелачивать среду отмечалась и другими исследователями (Achal et al., 2011).
Рис. 4. Клетки Bacillus subtilis (штамм 0.01) в зоне спайности полевого шпата. Эксперимент в водной среде
Рис 5. Клетки Bacillus subtilis (штамм 0.01) на слюде. Начальный этап повреждения субстрата. Эксперимент на твердой среде Мюллера — Хинтона
В результате проведенных исследований разработана экспериментальная модель взаимодействия бактерий и природного камня, которая может быть использована при решении фундаментальных и прикладных задач в области биогеохимии и геомикробиологии. Показано, что бактерии рода Bacillus способны легко прикрепляться к минералам породы, формировать биопленки на граните и слюде в водной и воздушной среде, вызывая трансформацию поверхностного слоя субстрата. Состояние поверхности является одним из определяющих факторов в распределении бактерий на силикатных породах. Полученные результаты расширяют понимание механизмов взаимодействия микроорганизмов и горной породы и могут способствовать поиску и разработке способов защиты каменных памятников и сооружений от биоповреждений, а также испытанию различных материалов и защитных составов на устойчивость к микробиологическим повреждениям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Власов А. Д., Зеленская М. С., Нестеров Е. М. Оценка состояния гранитных памятников Некрополей Александро-Невской лавры // Проблемы региональной экологии. 2013. № 5. С.130-135.
2. Каравайко Г. И. Микробная деструкция силикатных минералов // Труды Института микробиологии им. С. Н. Виноградского: Юбилейный сборник к 70-летию института. Вып. XII. М.: Наука, 2004. С. 172-196.
3. Наймарк Е. Б., Ерощев-Шак В. А., Чижикова Н. П., Компанцева Е. И. Взаимодействие глинистых минералов с микроорганизмами: обзор экспериментальных данных // Журнал общей биологии. 2009. Т. 70. № 2. С.155-167.
4. Achal V., Mukherjee A., Sudhakara Reddy M. Microbial Concrete: Way to Enhance the Durability of Building Structures // Journal of materials in civil engineering. 2011. 23: 730-734.
5. Bennett P. C., Rogers J. R., Choi W. J. Silicates, Silicate Weathering, and Microbial Ecology // Geo-microbiology Journal. 2001. Vol. 18. P. 3-19.
6. Song W., Ogawa N., Oguchi C. T., Hatta T., Matsukura Y. Effect of Bacillus subtilis on granite weathering: A laboratory experiment // Catena 70. 2007. P. 275-281.
7. Styriakova I., Styriak I., Nandakumar M. P., Mattiasson B. Bacterial destruction of mica during bi-oleaching of kaolin and quartz sand by Bacillus cereus // World J. Microbiol. and Biotechnol. 2003. V. 19. № 6. P. 583-590.
8. Styriakova I., Styriak I., Oberhansli H. Rock weathering by indigenous heterotrophic bacteria of Bacillus sPp. at different temperature: a laboratory experiment // Miner Petrol. 2012. 105. P. 135-144.
REFERENCES
1. Vlasov A. D., ZelenskajaM. S., Nesterov E. M. Otsenka sostojanija granitnyh pamjatnikov Nekropo-lej Aleksandro-Nevskoj Lavry // Problemy regional'noj jekologii. 2013. № 5. S.130-135.
2. Karavajko G. I. Mikrobnaja destrukcija silikatnyh mineralov // Trudy Instituta mikrobiologii im. S. N. Vinogradskogo: Jubilejnyj sbornik k 70-letiju instituta. Vyp. HII. M.: Nauka, 2004. S. 172-196.
3. Najmark E. B., Eroshchev-Shak V. A., Chizhikova N. P., Kompantseva E. I. Vzaimodejstvie glinistyh mineralov s mikroorganizmami: obzor eksperimental'nyh dannyh // Zhurnal obshchej biologii. 2009. T. 70. № 2. S.155-167.
4. Achal V., Mukherjee A., Sudhakara Reddy M. Microbial Concrete: Way to Enhance the Durability of Building Structures // Journal of materials in civil engineering. 2011. 23: 730-734.
5. Bennett P. C., Rogers J. R., Choi W. J. Silicates, Silicate Weathering, and Microbial Ecology // Geo-microbiology Journal. 2001. Vol. 18. P. 3-19.
6. Song W., Ogawa N., Oguchi C. T., Hatta T., Matsukura Y. Effect of Bacillus subtilis on granite weathering: A laboratory experiment // Catena 70. 2007. P. 275-281.
7. Styriakova I., Styriak I., Nandakumar M. P., Mattiasson B. Bacterial destruction of mica during bioleaching of kaolin and quartz sand by Bacillus cereus // World J. Microbiol. and Biotechnol. 2003. V. 19. № 6. P. 583-590.
8. Styriakova I., Styriak I., Oberhansli H. Rock weathering by indigenous heterotrophic bacteria of Bacillus sPp. at different temperature: a laboratory experiment // Miner Petrol. 2012. 105. P. 135-144.
