Гидрохимические и физико-химические условия среды обитания микроорганизмов в гидротермах Забайкалья

A.A. Radnagurueva, E.V. Lavrentieva, B.B. Namsaraev

HYDROCHEMICAL AND PHYSICAL-CHEMICAL CONDITIONS OF MICROORGANISMS HABITAT IN HYDROTHERMS OF ZABAIKALIE

Hydrochemical and physical-chemical conditions and chemical composition of native samples of thermal water systems are studied.

Keywords: hot springs, temperature, pH, organic matter, protein.

Азотные слабоминерализованные щелочные термы представляют собой крупную группу минеральных вод. Большие области Центральной Азии, Индии, Восточной Сибири, Восточной Африки, Южной Африки, Южной Америки, запада США, Европы, западные и восточные районы Исландии относятся к провинции щелочных азотных термальных вод. Типичным примером азотных термальных вод могут служить воды гидротерм Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), ставшие объектами нашего исследования. Физико-химические параметры щелочных термальных вод имеют ряд особенностей: щелочность обусловлена не ионами карбонатной системы, а силикатными и даже боратными ионами; в водах более активно мигрируют анионогенные элементы, тогда как катионогенные элементы часто образуют слаборастворимые соединения; окисление переменно валентных элементов происходит с большей скоростью [6]. Все эти факторы в сочетании с комбинированным воздействием высокого рН и температуры создают особые условия для существования экстремофильных микроорганизмов.

Г идрохимические данные свидетельствуют об инфильтрационном происхождении гидротерм БРЗ [2, 4, 6]. Гидротермы формируются в восстановительной обстановке вне зависимости от влияния магматических процессов, что отличает гидротермы региона от гидротерм областей активного вулканизма [5]. Даже по данным тех авторов, которые допускают существование в гидротермах БРЗ маг-матогенных вод, доля последних не превышает нескольких процентов [7].

Целью данной работы являлось изучение физико-химических условий и химического состава нативных проб на развитие микробного сообщества термальных водных систем Забайкалья.

Объекты и методы исследования

Распространение, структура микробного сообщества, а также активность различных групп микроорганизмов сообщества зависят от физико-химических условий среды обитания. В местах отбора исследованных водных экосистемах были определены температура, реакция среды (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Е^), общая минерализация, изучен ионный состав воды. Фиксацию проб для химических и микробиологических определений проводили сразу после отбора проб. Содержания карбонатов, гидрокарбонатов, хлоридов, катионов кальция определяли титрованием [1].

Содержание органического углерода (Сорг) в пробах определяли по методу Тюрина в модификации Никитина [1]. Определение содержания белка проводили по методу Лоури [7]. Оптическую плотность измеряли на фотоэлектроколориметре КФК-20 (Россия) и спектрофотометре CECIL-1021 (Великобритания). Для определения содержания зольных элементов пробы сжигали в печи при температуре 550°С [1].

Объектами исследования являлись горячие источники Алла, Гарга, Горячинск, Гусиха, Сеюя, Умхэй, Уро, расположенные в Курумканском, Баргузинском и Прибайкальских районах республики Бурятия. Для исследования термальных источников были отобраны пробы воды, донных осадков и микробных матов в летне-осенний период с 2008 по 2010 гг.

Результаты исследования и обсуждение

Температура воды при выходе на поверхность термальных источников изменялась в широких пределах (табл. 1). Наиболее горячими на выходе были воды гидротерм Алла, Гарга, Гусиха и Уро. Значения pH варьировали от 8,20 до 9,77. Высокие значения рН зарегистрированы в воде гидротерм Сеюя, Умхей и Горячинск. Слабощелочная реакция отмечена в источниках Гарга и Гусиха. Наибольшей минерализацией характеризуется источник Гарга. Несколько меньшую минерализацию имеет Горячинск, за ним, в порядке убывания минерализации, следуют имеющие близкую минерализацию источники Гусиха, Умхэй. По молярному соотношению наибольшей концентрацией главных ионов также обладает вода источника Гарга.

А.А. Раднагуруева, Е.В. Лаврентьева, Б.Б. Намсараев. Гидрохимические и физико-химические условия среды обитания микроорганизмов в гидротермах Забайкалья

Таблица 1

Местоположение и физико-химическая характеристика гидротерм

Источник Местоположение Т, 0С pH М, г/дм3 Н^, мг/дм3

Алла Курумканский район 70 8,9-9,5 0,15-0,36 16,5

Умхей Курумканский район 39-40 9,64-9,68 0,210-0,415 31,0

Гарга Курумканский район 74 8,5 0,67 <0,1

Сеюя Курумканский район 50 9,30-9,77 0,29-0,30 1,8

Гусиха Баргузинский район 72 8,2-8,3 0,47-0,48 <0,1

Уро Баргузинский район 69,1 8,8-9,2 0,17-0,26 <0,1

Г орячинск Прибайкальский р-н 46-52,3 9,28-9,41 0,53 5,9

Характерной особенностью термальных источников является повышенное содержание кремне-кислоты (до 120 мг/дм3) и фтора (до 40 мг/дм3). Большинство исследователей считает происхождение воды азотных терм инфильтрационным, объясняя все особенности химического, газового и микро-компонентного составов выщелачиванием водовмещающих пород. Высокое содержание в источниках щелочных металлов, натрий из всех катионов часто дает определяющий вклад в формирование минерализации. Наибольшей концентрацией натрия характеризуется источник Гарга (287,2 мг/дм3). В целом высокие содержания натрия в пределах Баргузинской долины характерны для источников, разгружающихся в ее юго-восточной части, в пределах отрогов Икатского хребта. Количество кальция варьирует от 1,6 до 14 мг/дм3, максимальная концентрация обнаружена в источнике Гусиха.

Содержание сульфат-иона в водах изменяется в широких пределах и повышается с ростом минерализации вод. Абсолютное преобладание сульфата установлено в источниках, приуроченных к массивам пород гранитного ряда, и распространены они, в основном, в отрогах Икатского хребта. Концентрация гидрокарбоната колеблется от 73,2 до 130,5 мг/дм3. Собственно гидрокарбонатные воды немногочисленны. В большинстве случаев источники имеют смешанный гидрокарбонатносульфатный или сульфатно-гидрокарбонатный состав и характеризуются широкими пределами колебаний содержания сульфатов и гидрокарбонатов.

Важным фактором для функционирования микробного сообщества является количественный и качественный состав органического вещества. В природных образцах микробных матов и донных осадков исследованных источников было проведено определение углерода органического, белка, изотопного состава углерода органического вещества (ОВ) (табл. 2). Микробные маты термальных источников характеризовались высоким содержанием Сорг, достигавшим 6,03%. Максимальное количество Сорг отмечено в поверхностном мате источника Сеюя. Содержание органического углерода в донных отложениях исследованных гидротерм изменяется в пределах от 0,27 до 0,46%. Пониженные концентрации Сорг выявлены в источниках, выходящих непосредственно из трещин в породах, при отсутствии в месте выхода почвенного слоя и заболоченностей. Так, наименьшее содержание органического вещества (0,27%) определено в микробном мате источника Гарга при температуре 61оС. Место отбора характеризуется отсутствием илового слоя. Циано-бактериальные обрастания образуются на травертиновом поле.

Содержание белка в микробных матах и донных осадках термальных источников варьировало от 1,1 до 4,36 мг/см3. Наибольшее количество белка определено в составе мата источников Умхей и Гарга. Наименьшее содержание белка отмечено в микробном мате источника Гарга (35оС) и в донных осадках источника Горячинск (1,1 мг/см3). Количество зольных элементов в матах в среднем составило 60,8-92,7%. Наименьшее количество золы отмечено в матах, развивающихся в источнике Гарга (60,8%), при температуре 35оС. Максимальное количество зольных элементов определено в мате гидротермы Умхей (92,7%). Исследованные донные осадки источников Умхей и Горячинск характеризовались высоким содержанием золы. Высокие значения зольности свидетельствуют о накоплении в донных осадках неорганических соединений.

Изотопный состав углерода органического вещества микробных матов и донных осадков щелочных гидротерм варьировал от -8,27%о до -30,70%о. Максимальное и минимальное значение углерода органического вещества выявлено в термальных источника Сеюя и Горячинск.

Таблица 2

Характеристика проб

Источник Вид пробы Т,°С рН Зола, % Белок, мг/см3 С, '^орг? % Содержание углерода ОВ, % на минеральную часть навески 13С ОВ, %%

Г орячинск д.о. 52 9,3 98,7 1,1 0,3 4,41 -28,19

д.ос. 46 9,28 н.о 2,74 0,42 20,83 -27,9

мат 52,3 9,3 н.о 2,15 2,0 97,29 -30,70

Гарга мат 61 8,5 85,6 3,44 0,27 н.о -8,27

мат 35 8,2 60,8 1,21 5,57 1362,85 -22,69

Сеюя мат 50 9,77 н.о 2,96 6,03 2711,76 -27,73

Умхэй мат 40 9,64 92,7 4,36 1,61 36,16 -22,89

д.ос. 40 9,64 98,1 2,02 0,46 19,65 -25,44

н.о - не определено, д.о. - донные осадки

Таким образом, изучение химического состава нативных проб термальных источников показало, что исследованные гидротермы характеризовались достаточно высоким содержанием органического углерода. Сравнительный анализ содержания Сорг в матах и донных осадках термальных источников показал, что процессы образования ОВ более интенсивно протекали в микробных матах. В микробных матах источников количество органического углерода достигало 0,27-6,03%, тогда как в донных осадках среднее содержание Сорг составляло 0,3-0,46%.

Сравнительный анализ многолетних исследований показал, что основные факторы среды, такие как температура, рН и минерализация, остаются относительно постоянными в изученных гидротермах и являются благоприятными условиями для существования и развития экстремофильных микроорганизмов.

Литература

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

2. Барабанов Л.Н., Дислер В.Н. Азотные термы СССР. - М: Геоминвод, 1968. - 120 с.

3. Борисенко И.М., Замана Л.В. Минеральные воды Бурятской АССР. - Улан-Удэ: Бурят. кн. изд-во, 1978. - 162 с.

4. Голубев В.А. Тепловые и химические характеристики гидротермальных систем Байкальской рифтовой зоны // Сов. геология. - 1982. - №10. - С. 100-108.

5. Крайнов С.Р., Швец В.М. Основы геохимии подземных вод. - М.: Недра, 1980. - 365 с.

6. Ломоносов И.С. Геохимия и формирование современных гидротерм Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Наука, 1974. - 325 с.

7. Методы общей бактериологии в 3 т. / под. ред. Ф. Герхардта и др. - М.: Мир, 1984. - 264 с.

Раднагуруева Арюна Арсалановна, аспирант, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, т. 8(3012)434902, aryuna_rg@mail.ru

Лаврентьева Елена Владимировна, кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, т. 8(3012)434902, lena_l@mail.ru

Намсараев Баир Бадмабазарович, доктор биологических наук, зав. кафедрой экспериментальной биологии, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, tel.: 8(3012)434902, bair_n@mail.ru

Radnagurueva Aryuna Arsalanovna, postgraduate, Instutute of General and Experimental Biology SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6, tel.: 8(3012)434902, aryuna_rg@mail.ru

Lavrentieva Elena Vladimirovna, candidate of biological sciences, researcher, Instutute of Gneral and Experimental Biology SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6, lena_l@mail.ru

Namsaraev Bair Badmabazarovich, Doctor of Biology, Professor, Head of Experimental Biology, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a, bair_n@mail.ru