122 2013-№1 с. 122-127 РАЗНООБРАЗИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

2013-№1
с. 122-127
РАЗНООБРАЗИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
РОЛЬ В МИНЕРАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ АРЖААНА ЧОЙГАН
Кашкак Е.С.1, Данилова Э.В.2, Аракчаа К.Д.3,4, Хахинов В.В.1,5
1
ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет», г. Улан-Удэ, Россия,
[email protected]
2
ФГБУН «Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН», г. Улан-Удэ,
Россия, [email protected]
3
ГУП «НИИ медико-социальных проблем и управления РТ», г. Кызыл, Россия,
[email protected]
4
ООО «Лаборатория аржаанологии и туризма» (ООО «АржаанЛаб»), г. Кызыл, Россия
5
Байкальский институт природопользования СО РАН, г. Улан-Удэ, Россия
Аннотация. Исследованы термальные источники аржаана Чойган (Восточный Саян),
представляющие экосистемы с благоприятными физико-химическими условиями для деятельности
микроорганизмов. В микробных матах гидротерм выявлены первичные продуценты – цианобактерии и
аноксигенные фототрофные бактерии, а также хемолитотрофные сероокисляющие бактерии. Показано, что
в деструкции органического вещества участвуют сульфатредуцирующие, железоредуцирующие и
протеолитические бактерии.
Ключевые слова: минеральные источники, микроорганизмы, продуценты, деструкция
органического вещества.
Abstract. Researched were mineral springs Zhoigan (East Sayan) that represents ecosystems with
favorable physical-chemical conditions for microorganisms activity. In microbial mats of hydro-terms, primary
producers – cyanobacteria and anoxigenic phototrophic bacteria, and also chemo-lithotrophic sulphur-oxidizing
bacteria – were identified. It was shown that sulphate-reducing, iron-reducing and protolithic bacteria take part in
the destruction of organic substance.
Key words: mineral springs, microorganisms, producers, organic substance destruction.
Гидротермы являются благоприятными экосистемами для развития и
функционирования микробных сообществ, активно участвующих в продукции и
деструкции органического вещества, трансформации газов, образовании минералов и
биологически активных веществ. В водной толще, донных осадках и микробных матах
происходят интенсивные физико-химические процессы с участием фото- и
хемосинтезирующих бактерий, где наряду с продуцентами в круговороте углерода, серы и
железа большую роль играют бактерии-деструкторы [2, 5].
К таким экосистемам можно отнести минеральные источники аржаана Чойган (побурятски – Жойган), расположенные в отрогах Большого Восточного Саяна на высоте
1550 – 1650 м над уровнем моря. В долине реки Аржаан-Хем на одной из подножных
плит, образуемых подошву отрога, выходят на поверхность более 30 термальных и
холодных углекислых минеральных вод, образуя травертиновые платформы,
возникновение которых обусловлено извлечением кальция из изверженных пород и
последующим осаждением карбонатов.
Цель работы – выявление разнообразия микроорганизмов минеральных источников
Чойган.
Материалы и методы исследования
Объекты исследования. Объектами исследования служили образцы микробных
матов и осадков минеральных источников Чойган, отобранные в ходе экспедиции в
летний период 2011-2012 гг.
Методы исследования. Для определение физико-химических параметров воды
использовали известные методы [6].
122
Культивирование микроорганизмов различных функциональных групп проводили
на твердых и жидких элективных средах с добавлением различных субстратов [4, 7].
Инкубировали при температуре 30оС.
Морфологию, размеры, подвижность клеток изучали с использованием светового
микроскопа PZO (Польша) и Axiostar plus (CarlZeiss, Германия) с фазово-контрастной
приставкой и фотодокументирующей системой.
Результаты исследования и их обсуждение
Физико-химическая характеристика минеральных источников. Температура
выхода исследуемых минеральных источников различна, наиболее высокая была
определена в горячей ванне в срубе № 12 (табл. 1). Значения рН на момент определения
были слабокислые от 6,20 до 6,76, минерализация составляла 480–880 мг/дм3,
окислительно-восстановительный потенциал (Eh) изменялся в пределах от –68 до +224
мВ. Отрицательные значения Eh обнаружены в источниках с небольшим содержанием
сероводорода (0,76 и 0,93 мг/дм3 в источниках № 7 и № 8, соответственно). Содержание
гидрокарбонатов варьировалось от 750 до 1950 мг/дм 3, сульфатов от 2,5 до 9,5 мг/дм 3,
максимальное значение хлоридов достигало 40 мг/дм3. Среди катионов преобладает
кальций, содержание которого не превышало 100 мг/дм3. По химическому составу
минеральные источники долины аржаана Чойган являются гидрокарбонатными натриевокальциевыми или кальциево-натриевыми с содержанием СО2 от 203,5 до 335,5 мг/дм3.
Особое внимание было обращено содержанию общего железа, которое составляло
от 1,4 до 3,7 мг/дм3 в водной толще, а в донных отложениях до 350 мг/дм3. Выходы
некоторых источников имеют ярко-багровый цвет из-за высокого содержания соединений
железа.
Таблица 1.
Характеристики природных образцов минеральных источников Чойган
Описание пробы
Т, 0С
рН
М, мг/дм3
Eh, мВ
СО2, мг/дм3
Зеленый мат с ярко-рыжими отложениями железа
25
6,52
740
46
271,7
из источника № 1 «Гастритный»
Донные отложения с запахом H2S из источника
27
6,41
810
-86
302,5
№ 7 «От болезней почек: левая почка»
Донные отложения с запахом H2S из источника
25
6,32
820
-68
203,5
№ 8 «От болезней почек: правая почка»
Донные отложения, смешанные с зеленым матом
31
6,76
880
12
из источника № 9 «Теплая грязевая ванна»
Зеленый мат с ярко-рыжими отложениями железа
вниз по ручью, вытекающего из горячих ванн в
37
6,56
850
55
313,5
срубе № 12 и № 13
Глинистые донные отложения белого цвета из
19
6,75
870
154
335,5
источника № 19 «Молочная ванна»
Донные отложения из источника № 21
15
6,20
480
224
266,7
«Молодость»
Нумерация и названия источников Чойгана приведены по карте-схеме по К.Д. Аракчаа (рис. 1) [1].
Важным фактором для функционирования микробного сообщества является
количес-тво органического вещества – источник углерода для органотрофных бактерий.
Было определено содержание органического углерода (Сорг) в микробных матах,
травертинах и донных отложениях. Исследуемые микробные маты бедны органикой, так
как представлены песчаными грунтами. Высокое содержание органического вещества
было выявлено в пробах микробных матов (до 7%). Наименьшее количество С орг (0,31,0%) выявлено в пробах донных осадков и травертинов, в которых практически
отсутствовала органика. В травертинах и донных осадках, смешанных с микробными
матами, составило 2,6 – 3,5%.
Разнообразие микроорганизмов в донных осадках и микробных матах
источников. Тесные трофические взаимоотношения между различными группами
микроорганизмов позволяют им эффективно участвовать в трансформации органических
123
и неорганических веществ подземных вод, что обусловлено их биохимическим
потенциалом и численностью. Микробные сообщества источников Чойган представлены
многоообразием продуцентов и деструкторов органического вещества. В продукции
органического вещества активно участвуют фототрофные бактерии. Основной вклад в
бактериальную первичную продукцию вносят цианобактерии, преобразующий
углекислый газ в биомассу и продуцируют эквивалентное количество кислорода [5].
Проведенные спектрофотометричес-кие исследования подтвердили присутствие в
микробных матах трех групп фототрофных бактерий (рис. 2): оксигенных цианобактерий,
содержащих хлорофилл а (680 нм), аноксигенных пурпурных бактерий, содержащих
бактериохлорофилл а (805 и 880 нм) и зеленых серобактерий, содержащих
бактериохлорофилл с (745 нм), который является преобладающим пигментом [2].
Рис. 1. Карта-схема родников природного
аржаанного комплекса «Чойганские
минеральные воды» по К.Д. Аракчаа [1].
Примечание: у номеров источников в скобках –
температура источников
Номера и названия источников, бытующие в народе:
1 – Гастритный
2 – Ванна в срубе, холодная, от болезней нервной системы
3 – От болезней мочеполовой системы
4 – Основной питьевой
5 – От давления
6 – Ванна в срубе, теплая
7, 8 – От болезней почек (левой и правой соответственно)
9 – Грязевая ванна, теплая
10 – Легочный
11 – Ванна в срубе, детская
12 – Ванна в срубе, горячая (42,3оС)
13 – Ванная в срубе, горячая (39оС)
14 – Баня
15 –Почечный основной
16, 17 – Носоглотка
18 – Сухая воронка, глубокая
19 – Воронка с водой, ист. «Молочный»
20 – Сухая воронка, не глубокая (не используется)
21 а – Воронка с водой, ист. «Молодость»
21 б – Сруб с душем, каптированным от ист. «Молодость»
22 – Сухая воронка, не глубокая
23 – Ист. «Мама Зина»
24 – Ист. «Кара-кыс»
25 – Грязевая ванна, холодная
26 – Печеночный
27 – Желудочный
28 – От ангины
29 – Глазной
30 – От головных болезней
31 – Сердечный
32 – Ист. «Севек Миша»
33 – Верхний
124
Рис. 2. Спектр поглощения in vivo смешанного микробного мата
В исследованных источниках присутствовало не менее 10 видов оксигенных
фотосинтетиков-цианобактерий: Oscillatoriatenuis, Oscillatorialimosa, Anabaenavariabilis,
Phormidiumgelatinosum, Phormidiumvalderiae f. Рseudovalderianum, Oscillatoriatenuis f.
Woronichiniana,
Thiocapsa
sp.
Было
отмечено
массовое
скопление
Cylindrospermumgregarium, который встречается в основном в горячих источниках
Средней Азии, но данный вид для Байкальского региона не характерен. Из аноксигенных
фототрофных
бактерий
наблюдались
микроорганизмы
близкие
к
Rhodopseudomonaspalustris [3].
Известно, что окислять сероводород и другие соединения серы, а также
молекулярную серу может значительное число хемотрофных микроорганизмов –
факультативно автотрофные одно- и многоклеточные формы серобактерий,
откладывающих серу внутри клетки, и тионовые (сероокисляющие) бактерии, которые
серу в клетках не накапливают. Тионовые бактерии способны преобразовывать вещества
горных пород, такие как пирит, и образовывать вторичные биогенные материалы в
донных отложениях источников [5]. В продукции органического вещества участвуют
тионовые бактерии, ассимилируя углекислый газ и используя энергию окисления
сероводорода. Количество тионовых бактерий варьировало в пределах от 0 до 100 тыс.
кл./см3 (табл. 2). Морфологически они были представлены подвижными одиночными
мелкими палочками длиной до 1,5 мкм (рис. 3-а).
Одновременно с первичной продукцией идет деструкция органического вещества,
осуществляемая различными функциональными группами микроорганизмов. На начальных
этапах деструкции важную роль играют гидролитические бактерии (протеолитики, амилолитики,
целлюлолитики, липолитики и др.), разлагающие полимерные соединения до растворимых
органических соединений, используемых далее аэробными и анаэробными бактериямидеструкторами. В данных гидротермах доминирующими физиологичес-кими группами
гидролитиков были протеолитические бактерии. Их максимальная численность
достигала 610 тыс. кл./см3 в пробе зеленого мата с травертином. Численность
микроорганизмов, разлагающих высокомолекулярный полисахарид – крахмал была ниже на
1-2 порядка. Наибольшее их количество (170 тыс. кл./см3) было зафиксировано в зеленом
мате, а наименьшее (1 тыс. кл./см3) – в пробе зеленого мата с травертином.
Таблица 2.
Максимальная численность бактерий, участвующих в круговороте серы и железа, кл./мл
Проба
Зеленый мат с ярко-рыжими
отложениями железа из источника
№ 1 «Гастритный»
Донные отложения с запахом H2S из
источника № 7 «От болезней почек:
левая почка»
Донные отложения с запахом H2S из
СРБ
Тионовые
Mnокисляющие
Feокисляющие
106
104
–*)
–
107
105
–
–
105
104
–
–
125
источника № 8 «От болезней почек:
правая почка»
Донные отложения, смешанные с
зеленым матом из источника № 9
«Теплая грязевая ванна»
Зеленый мат с ярко-рыжими
отложениями железа в ручье,
вытекающего из горячих ванн в
срубе № 12 и № 13
Глинистые донные отложения
белого цвета из источника № 19
«Молочная ванна»
Донные отложения из источника
№ 21 «Молодость»
*) «–» – определения не проводились
105
0
6,3∙106
102
104
0
3,0∙103
104
–
105
1,2∙102
104
–
–
6,2∙103
105
На конечных этапах деструкции органического вещества в иловых отложениях и
микробных матах высокую активность проявляют сульфатредуцирующие бактерии (СРБ),
которые используют в качестве акцептора электронов сульфат-ионы воды. Численность
СРБ достигала 106–107 кл./см3 при использовании лактата натрия в качестве источника
углерода и энергии (табл. 2). Морфологически сульфатредукторы были представлены в
основном мелкими подвижными вибрионами (рис. 3-б).
В пробах матов и донных осадков исследуемых гидротерм также были выявлены
микроорганизмы, участвующие в круговороте железа и марганца. Рост железобактерий на
среде Лиске сопровождался накоплением желто-оранжевых окислов железа. Численность
железобактерий составила от 102 до 105 кл./мл (табл. 2). Морфологически накопительные
культуры железобактерий были представлены подвижными палочками. При
использовании модифицированной среды Тилера развитие Fe- и Mn-окисляющих
бактерий
не
наблюдалось.
Также
получены
накопительные
культуры
железоредуцирующих бактерий (ЖРБ) с использованием в качестве акцептора электронов
цитрата железа (III) и нерастворимого слабокристаллического оксида железа (III),
получаемого при титровании раствора трехвалентного хлорида железа щелочью [8].
Донорами электронов для ЖРБ служили смесь 10% растворов ацетата и лактата натрия,
раствор сахарозы, пептон. Накопительные культуры ЖРБ представлены подвижными
длинными палочками (рис. 3-в).
Численность культивируемых Mn-окисляющих бактерий варьировала от 3 тыс. до
6,3 млн. кл./мл (табл. 2). Наиболее активный рост данных бактерий был отмечен в
смешанной пробе донных осадков с зеленым матом, температура которого была 31 оС и
значение рН составляло 6,76. Накопительные культуры бактерий были представлены
подвижными палочками различных размеров (рис. 3-г).
126
Рис. 3. Микрофотографии клеток микроорганизмов донных осадков и микробных матов
минерального источника Чойган: а) тионовые бактерии с отложениями капель аморфной серы;
б) СРБ; в) ЖРБ; г) Mn-окисляющие бактерии. Длина масштабной метки – 10 мкм.
Таким образом, минеральные источники аржаана Чойган представляют собой
уникальные экосистемы, где можно наблюдать развитие реликтовых микробных
сообществ. В микробных матах гидротерм выявлены первичные продуценты цианобактерии и аноксигенные фототрофные бактерии, а также хемолитотрофные
сероокисляющие бактерии. Показано, что в деструкции органического вещества
участвуют
сульфатредуцирующие,
железоредуцирующие,
протеолитические,
целлюлолитические и метанобразующие бактерии. Образование первичными анаэробами
низкомолекулярных органических веществ, присутствие сульфатов биогенного и
абиогенного
происхождения,
способствуют
активной
деятельности
сульфатредуцирующих бактерий. Количественная оценка деятельности микроорганизмов
показывает, что на терминальном этапе деструкции большая часть органического
вещества источников используется сульфатредукторами.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (12-05-00871-а, 12-04-90853мол_рф_нр), Интеграционного гранта СО РАН № 5.
Библиографический список
1. Аракчаа К.Д. Природный аржаанный комплекс «Чойганские минеральные воды» и аржаан Борзу-Холь:
перспективы туристско- и лечебно-рекреационного освоения. Кызыл: Изд-во ТувГУ, 2012. 51 с.
2. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. М.: Изд-во «Академия», 2006. С. 262–324.
3. Данилова Э.В. Структурно-функциональная организация микробного сообщества углекислых
минераль-ных источников Восточных Саян: Автореф. дис. … к.б.н. Улан-Удэ, 2001. 21 с.
4. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 288 с.
5. Намсараев Б.Б., Бархутова Д.Д., Данилова Э.В., Хахинов В.В. и др. Геохимическая деятельность
микроорганизмов гидротерм Байкальской рифтовой зоны. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2011.
302 с.
6. Намсараев Б.Б., Горленко В.М., Хахинов В.В. и др. Полевой практикум по водной микробиологии и
гидрохимии. М.-Улан-Удэ: Изд-во Бурятского госуниверситета, 2005. 68 с.
7. Практикум по микробиологии / Под ред. А.И. Нетрусова. М.: Изд-во «Академия», 2005. 608 с.
Слободкин А.И. Термофильные железовосстанавливающие прокариоты: Автореф. дис. … д.б.н. Москва,
2008. 48 с.
127