Гидрохимическая и микробиологическая характеристика щелочного Большереченского источника

УДК 576.8 (571.54) © С.В. Зайцева, Д.Д. Цыренова, А.М. Калашников, В.Б. Дамбаев

ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЩЕЛОЧНОГО БОЛЬШЕРЕЧЕНСКОГО ИСТОЧНИКА

Работа выполнена при поддержке Интеграционного проекта СО РАН №56

Впервые определены физико-химические параметры воды и дана микробиологическая характеристика субтермального щелочного источника, расположенного в с. Большая Речка (Кабанский район, Республика Бурятия). Температура на выходе источника варьирует от 19,3 до 20,7оС, рН воды составляет 9,3. На изливе источника развиваются цианобактериальные маты, в которых доминируют зеленые и диатомовые водоросли, а также цианобактерии родов Phormidium и Oscilatoria, обладающие широким температурным диапазоном роста. Рост аэробных и анаэробных бактерий-деструкторов органического вещества наблюдался в температурном диапазоне 20-50оС.

Ключевые слова: щелочной источник, микробный мат

S.V. Zaitseva, D.D. Tsyrenova, A.M. Kalashnikov, V.B. Dambaev

HYDROCHEMICAL AND MICROBIOLOGICAL CHARACTERISTICS OF ALKALINE BOLSHERECHENSKY SPRING

For the first time the physical and chemical parameters and microbiological characteristics of subthermal alkaline spring were defined. This spring is located in Bolshaya Rechka (Kabansky District, Republic of Buryatia). The temperature of output water varies from 19.3 to 20.TC, pH 9.3. Cyanobacterial mats, dominated by diatoms, green algae and cyanobacteria of genera Phormidium and Oscilatoria, is developed in the spring. The growth of aerobic and anaerobic bacteria-destructors of organic matter was observed at the temperature range from 20 to 50оС.

Keywords: alkaline spring, microbial mat

Изучению микробных сообществ высокотемпературных (более 45оС) щелочных гидротерм Байкальской рифтовой зоны посвящен целый ряд работ [1, 2], однако, субтермальные источники с температурой воды на выходе около 20оС ранее исследовались эпизодически. Щелочные гидротермы широко распространены в природе, при этом значение рН среды, отделяющее щелочные воды от нейтральных, принимается равным 8,0-8,5 [3]. В отношении температуры, воды принято считать термальными, если их температура превышает 20оС [4]. Считается, что если температура в таких местообитаниях не превышает 40-45оС, то в сообществах микроорганизмов доминируют мезофилы, имеющие оптимум развития около 30оС и максимум до 45оС [5].

Материалы и методы

Отбор проб воды и микробных матов, развивающихся на выходе и по течению минерального ручья Большереченского источника, был произведен в сентябре 2010 г. Температуру и рН в местах отбора измеряли портативным рН-метром Hanna HI 8314. Содержание карбонатов и гидрокарбонатов определяли титрованием, сульфаты - турбидиметрическим методом [6, 7]. Соотношение стабильного изотопа 13С/12С органического вещества определяли на масс-спектрометре BreathMAT plus (Finnigan) с относительной погрешностью ±0,1%о. Результаты выражали в виде величин 5 13С%о, откалиброванных по отношению к стандартам.

Численность микроорганизмов-деструкторов различных физиологических групп определяли на модифицированной минеральной среде Пфеннига, следующего состава (г/л): NH4Cl - 0,4; KH2PO4 -

0,5; NaNO3 - 0,4; MgCl2 - 0,2; Na2SO4 - 0,5; NaCl - 0,5; КО - 0,5; дрожжевой экстракт - 0,1; раствор микроэлементов по Липперту, Витману - 1 мл; витамин В^ - 20 мкг. В качестве субстратов вносили (в %): для протеолитиков - пептон (1,5); для амилолитиков - крахмал (1,5); для липолитиков - твин-40 (1,5); для сахаролитиков - глюкозу (1,5). Значение рН среды, соответствующее природному значению рН воды источника - 9,3, устанавливали соотношениями NaHCO3 и NaCO3. Для определения численности сульфатредуцирующих бактерий использовали измененную среду Пикуты, г/л [8]: KH2PO4, 0.2; MgCl2-6H2O, 0.1; NH4Cl, 0.5; KCl, 0.2; Na2SO4, 3.0; дрожжевой экстракт, 0.1; лактат Na, 4; витамин В!2, 1 мл; NaHCO3, 1.1; Na2CO3, 0.4; CaCl2-2H2O, 0.1; Na2S-9H2O, 0.05; микроэлементы, 1 мл; тиогликолят Na, 0.2; основной раствор резазурина, 5 мл. Морфологию клеток микроорганизмов исследовали с помощью светового микроскопа Ahiostar plus (Karl Zeiss, Германия). Идентификацию

С.В. Зайцева, Д.Д. Цыренова, А.М. Калашников и др. Гидрохимическая и микробиологическая характеристика щелочного Большереченского источника

видовой принадлежности цианобактерий проводили на основании морфологических признаков по стандартным определителям [9, 10].

Результаты исследований и обсуждение Большереченский источник (51058 338 ^, 106017/761//Е; Кабанский район Республики Бурятия) располагается в 12 км от побережья оз. Байкал, на окраине села Большая Речка. Высота над уровнем моря 464 м. Два выхода источника с термальной, щелочной, слабоминерализованной водой находятся на расстоянии 15 м друг от друга. Суммарный дебит источников составляет 2 л/с. Источники каптированы и незначительно различаются по своим физико-химическим параметрам (табл. 1). В первом выходе ощущается слабый запах сероводорода. Вода обоих выходов имеет щелочную реакцию, значения рН варьируют в пределах 9,3-9,35. Общая щелочность воды колеблется от 91,2 до 96,0 мг/дм3. Сухой остаток, характеризующий содержание минеральных солей и нелетучих органических соединений, составляет 622-629 мг/дм3. Прокаленный остаток, определяющий содержание в испытуемой воде неорганических примесей, незначительно варьирует в разных выходах (591-608 мг/дм3). Полученные данные не превышают нормы ГОСТ 17.1.3.03-77 для питьевых вод.

Таблица 1

Физико-химическая характеристика Большереченского источника

Источник Т0С рН М О2 СО32- НСО3- SO42- Са Mg2+ K+ Na+

Выход 1 20,6 9,35 450 0,6 60,0 91,5 85,0 6,0 3,6 0,75 220,0

Выход 2 19,3 9,30 460 0,8 60,0 80,0 65,0 6,0 3,6 0,75 220,0

М - минерализация

По химическому составу вода Большереченского источника относится к гидрокарбонатной натриевой. Среди катионов преобладает натрий, превышая количество кальция и магния на два порядка. Содержание калия было незначительно. Среди анионов в воде источника преобладали гидрокарбонаты, однако содержание сульфатов также было значительным. Вода в первом выходе источника вытекает из трубы, накапливается в самодельном желобе и стекает, образуя ручей. Температура в ручье составляет 17-18оС, содержание кислорода в воде 3,2 мг/дм3. Изотопный состав органического вещества в осадках на выходе источников варьировал от -25.09 до -26.99%о, что демонстрирует низкое содержание тяжелой формы 13С.

По течению ручья развиваются плотные цианобактериальные маты двух типов. В темно-зеленых плотных кожистых матах первого типа, толщиной до 0,3 см, доминируют диатомовые и зеленые водоросли. В качестве содоминантов выступают цианобактерии Oscilatoria brevis, Phormidium foveola-rum и Ph. anqustissimum. Микробные маты второго типа буровато-зеленого цвета, толщиной 0,3-0,4 см. В них также преобладают зеленые и диатомовые водоросли, а численность и разнообразие цианобактерий заметно ниже, чем в темно-зеленых матах. Встречаются виды одноклеточных цианобактерий рода Gloeocapsa и нитчатые бактерии рода Phormidium.

Ранее было показано, что наибольшее разнообразие цианобактерий в микробных сообществах щелочных гидротерм отмечается при температурах 35-40оС, при повышении температур до 50-70оС количество видов цианобактерий заметно меньше [1]. При этом нижний температурный предел развития большинства цианобактерий, выделенных из микробных матов гидротерм Байкальской рифто-вой зоны, составляет 20-300С. Самый широкий диапазон развития имеют виды родов Phormidium и Oscillatoria, которые отмечаются в микробных сообществах при самых разных температурах. По литературным данным большинство видов термофильных и мезофильных цианобактерий более активно развиваются в щелочных условиях [1].

Численность микроорганизмов различных физиологических групп была определена при различных температурах культивирования (табл. 2). Максимальное количество аэробных и анаэробных микроорганизмов - 100000 кл/мл - выросло при температурах культивирования 20-30оС. При этом время культивирования составляло при 300С - 24-48 ч, при 20оС - 3-5 суток. Мезофильные протеоли-тики были представлены грамположительными палочками.

В пробах микробных матов была определена численность сульфатредуцирующих бактерий, которые восстанавливают сульфаты до сероводорода на терминальных этапах деструкции органического вещества. Рост накопительных культур сульфатредукторов при различных температурах показал, что наиболее предпочтительным температурным диапазоном являлись температуры 40-45оС, при этих температурах культуры образовывали 12,8-19,2 мг сероводорода на литр. Нужно отметить, что при

этих температурах численность бактерий хотя и снижалась, но оставалась достаточно значимой, чтобы можно было сделать вывод о присутствии термофильных микроорганизмов в микробных матах Большереченского источника.

Таблица 2

Численность бактерий-деструкторов в микробных матах Большереченского источника

Группа микроорганизмов Температура культивирования, оС

Аэробы, кл/мл 20 30 40 45 50

протеолитики 105 105 103 103 103

сахаролитики 105 105 104 104 104

липолитики 104 105 102 102 10

Анаэробы, кл/мл

протеолитики 105 105 103 103 102

сахаролитики 105 105 104 103 102

липолитики 102 103 102 102 10

сульфатредукторы 106 106 103 103 103

Литература

1. Намсараев З.Б., Горленко В.М., Намсараев Б.Б., Бархутова Д.Д. Микробные сообщества щелочных гидротерм. - Новосибирск: изд-во СО РАН, 2006. - 111 с.

2. Г еохимическая деятельность микроорганизмов гидротерм Байкальской рифтовой зоны / Б.Б. Намсараев, Д.Д. Бархутова, В.В. Хахинов и др. - Новосибирск: Гео, 2011. - 302 с.

3. Соломин Г.А., Крайнов С.Р. Щелочные составляющие природных и сточных щелочных вод, геохимические процессы их нейтрализации кислыми и околонейтральными подземными водами // Геохимия. - 1998. -№2. - С. 183-201.

4. Басков Е.А., Суриков С.Н. Гидротермы Земли. - Л.: Недра, 1989. - 245 с.

5. Wiegel J. Anaerobic alkalithermophiles, a novel group of extremophiles // Extremophiles. - 1998. - V.2. - P.

257-267.

6. Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. 3-е изд. - М.: Недра, 1970. - 127 с.

7. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Наука, 1980. - 487 с.

8. Заварзин Г.А., Жилина Т.Н., Пикута Е.В. Вторичные анаэробы в галоалкалофильных сообществах озер Тувы // Микробиология. - 1996. - Т.65, №4. - С. 546-553.

9. Голлербах М.М., Косинская Е.К., Полянский В.И. Определитель пресноводных водорослей СССР. -М.: Советская наука, 1953. - 398 с.

10. Еленкин А.А. Синезеленые водоросли СССР. Специальная часть. - М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1949. -990 с.

Зайцева Светлана Викторовна, кандидат биологических наук, научный сотрудник, лаборатория микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6. т. 83012434902, svet_zait@mail.ru

Цыренова Дулма Доржиевна, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник, лаборатория микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой,

6. т. 8-3012434902

Калашников Александр Михайлович, аспирант, Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, 117312, Москва, Проспект 60-летия Октября, д.7, корп. 2

Дамбаев Вячеслав Борисович, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник, лаборатория микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

Zaitseva Svetlana Victorovna, candidate of biological sciences, senior researcher, Institute of General and Experimental Biology SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6, svet_zait@mail.ru

Baldanova Dulma Dorzhievna, candidate of biological sciences, senior researcher, Institute of General and Experimental Biology SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6

Kalashnikov Alexander Mihailovich, postgraduate, Winogradsky Institute of Microbiology RAS, 117312, Moscow, pr. 60-letiya Oktyabrya, 7/2

Dambaev Vyacheslav Borisovich, candidate of biological sciences, senior researcher, Institute of General and Experimental Biology SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6.

S2