Физико-химические и микробиологические исследования

Вестник ДВО РАН. 2005. № 3
Н.А.СТУПНИКОВА, С.В.МУРАДОВ
Физико-химические
и микробиологические
исследования лечебной грязи
месторождения Озеро Утиное
Камчатской области
Приводится физико-химическая и микробиологическая характеристика донных отложений оз.
Утиное, которые по своим свойствам и условиям образования можно отнести к лечебной грязи озерно-ключевого генезиса. Физико-химические параметры изучаемой лечебной грязи характеризуют ее как
низкоминерализованную высокосульфидную иловую. В ней обнаружено большое число физиологических
групп микроорганизмов круговорота углерода, серы, азота. Показана роль микроорганизмов различных
физиологических групп в процессах трансформации органических и минеральных соединений озерных
осадков и в формировании их лечебных свойств.
Physicochemical and microbiological studies of the therapeutic mud from the «Ozero Utinoe» field in
Kamchatkaya oblast’. N.A.STUPNIKOVA, S.V.MURADOV (Research Geotechnological Center, FEB RAS,
Petropavlovsk-Kamchatsky).
The paper presents data on physicochemical and microbiological properties of bottom sediments of the
Utinoe Lake. These properties and the mode of origin suggest that the sediments can be referred to as spring
and lacustrine therapeutic mud. Physicochemical studies show that these sediments are composed of a silty
mud that has low content of mineral matter but contains high concentrations of sulphides. It is also rich in
microorganisms involved in the carbon, sulfur, and nitrogen cycles. The paper shows that various physiological groups of microorganisms contribute to chemical transformations of organic and mineral matter in the
lacustrine sediments and to the medicinal action of the latter.
Месторождения лечебных грязей (пелоидов) формируются в естественной среде под влиянием геологических, физико-химических и биологических процессов. Выделяют 6 генетических типов пелоидов, отличающихся друг от друга по
условиям образования, исходному материалу, химическому составу: грязе-иловые
сульфидные отложения соленых водоемов, иловые отложения пресных водоемов –
сапропели; торфяные образования болот (торфяные грязи), сопочные грязи, глинистые илы, гидротермальные грязи [2, 5, 6]. Важнейшими свойствами пелоидов, определяющими их лечебные качества и объединяющими их в группу лечебных грязей, являются высокая коллоидальность, обусловливающая высокую гидрофильность пелоида и отсутствие в нем тепловой конвекции, значительные теплоемкость
СТУПНИКОВА Наталья Андреевна – кандидат биологических наук, МУРАДОВ Сергей Васильевич –
кандидат биологических наук (Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский).
76
и теплоудерживающая способность, наличие различных биологически активных
химических соединений, которыми обогащается грязь в результате жизнедеятельности специфической грязевой микрофлоры.
В Камчатском регионе имеется единственное месторождение лечебной грязи
Озеро Утиное, которая успешно применяется в медицинской практике для лечения
различных заболеваний.
Оз. Утиное находится в 2 км к северо-востоку от пос. Паратунка Елизовского
района Камчатской области в заболоченной пойме р. Паратунка. Озеро расположено в толще отложений четвертичного возраста. На его водосборной площади распространены отложения озерно-болотного и аллювиального генетических типов.
Береговая линия осложнена длинными и узкими заливами с ясно выраженным
урезом воды. Берега низкие, пологие, на отдельных участках топкие, по условиям
образования аккумулятивные, сложены бурым торфом, мощность которого у береговой линии достигает 0,5–0,7 м, в отдельных местах – 1,2–1,4 м. Степень разложения торфа составляет 15–25 %, поэтому применение его в качестве лечебного
средства исключается.
Морфометрические параметры озера в меженный период имеют следующие
значения: площадь зеркала 258 тыс. м2, длина береговой линии 4 750 м, длина озера 850 м, ширина 420 м, средняя глубина 0,43 м.
Основными источниками питания озера наряду с атмосферными осадками и
подземными водами являются р. Хайковая и руч. Коркин, а также термальные воды Нижне-Паратунских источников. Эти смешанные стоки определяют солевой
состав озерной воды как хлоридно-сульфатный кальциево-натриевый. Термальные
источники играют определяющую роль в формировании грязевых донных отложений оз. Утиное и создают условия для образования высококачественной по физико-химическим параметрам лечебной грязи озерно-ключевого генезиса [12, 14].
Донные отложения озера – залежь современных осадков, из которых к лечебным грязям можно отнести лишь верхний горизонт илов. Нарастание мощности
залежи от периферии водоема к центру равномерное. В центральной части толщина достигает 0,85 м, к береговой линии мощность грязи уменьшается и у уреза воды не превышает 0,1–0,2 м (рис. 1). В восточном заливе нарастание мощности от
уреза к центральной части происходит более интенсивно, в 5–10 м от уреза она составляет 0,3–0,4 м.
Грязевые отложения почти по всей площади подстилаются слаборазложившимся бурым торфом слоем 0,2–0,3 м и разнозернистым песком аллювиального происхождения. Между отложениями грязевой залежи и подстилающим ее торфом по
периферии водоема отмечен слой сапропеля, толщина которого не превышает
0,15–0,20 м.
Объем запасов лечебной грязи оз. Утиное достигает 85 574 м3, из них балансовых запасов 78 632 м3, забалансовых – 6 942 м3. К балансовым запасам отнесена
залежь, имеющая мощность не менее 0,2 м и удовлетворяющая требованиям экономической целесообразности ее использования. Забалансовые запасы месторождения Озеро Утиное составляют десятую часть от общих запасов грязи, и их использование в настоящее время затруднительно. Однако в дальнейшем они могут
быть переведены в разряд балансовых.
Параметры грязи оз. Утиное в целом соответствуют нормам для сульфидных
грязей [1] (см. таблицу).
Паратунский пелоид представляет собой пластичную мазеподобную массу черного цвета с легким запахом сероводорода. Влажность, т. е. количество воды, содержащейся в 100 г нативной грязи, – 66–82 %. Количество воды с её органомине-
77
Сравнение показателей лечебной грязи месторождения Озеро Утиное
с принятыми нормативами для иловых минеральных сульфидных грязей
Показатель
Влажность, %
Средняя плотность, г/см3
Теплоемкость, кал/г ⋅ град
Засоренность минеральными частицами 0,25–0,50 мм,
% от естественного вещества
Твердые минеральные включения более 0,5 мм, % от
естественного вещества
Сопротивление сдвигу, дин/см2
Реакция среды
Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Минерализация грязевого раствора, г/л
Органическое вещество, % на сухую массу
Сульфид железа, % на естественную грязь
Средние
показатели
73
1,2
0,8
Норма для лечебных
типов грязей
45–75
1,1–1,7
0,5–0,8
3,0
Не более 3,0
0
2 480
6,2
-110
2,6
18,0
0,53
0
1 500–4 000
6,0–9,0
-500–0
1,0–350,0
≤ 10,0
0,05–1,00
ральной основой определяет такие свойства грязи, как теплоёмкость, пластичность, средняя плотность. Высокие тепловые свойства грязи характеризуются теплоёмкостью 0,86–0,89 кал/г ⋅ град. Засоренность илов частицами крупнее 0,25 мм
не превышает 0,84–3,00 %. У илов из береговой зоны, контактирующих с подстилающими песками, процент засоренности возрастает до 5,0–6,7 %. Она представлена в основном растительными остатками, песком, ракушей.
На основе разработанного микробиологического стандарта можно не только
оценить интенсивность и направленность биохимических процессов грязеобразования, но и определить значение тех микробиогенных процессов, которые возможны при регенерации некондиционной лечебной грязи.
Разнообразные метаболические процессы, осуществляемые микроорганизмами
в лечебной грязи, тесно связаны с её физико-химическими свойствами [3].
Рис. 1. Распределение лечебной грязи оз. Утиное в изопахитах. Мощность: А – 0–0,2 м, Б – 0,2–0,4 м,
В – 0,4–0,6 м, Г – > 0,6 м
78
Реакция среды лечебной грязи оз. Утиное слабокислая, в среднем рH 6,2. Устойчивое отрицательное значение ее окислительно-восстановительного потенциала (от -40 до -180 мВ) свидетельствует о восстановительных процессах и высокой
биологической активности грязи. Зольность довольно велика – до 81 %, представлена нерастворимым остатком (79 %), окисями железа, алюминия, кремния, кальция и других элементов.
В твердой фазе грязь состоит из кристаллического скелета (частицы крупнее
0,001 мм) и гидрофильного коллоидного комплекса (частицы менее 0,001 мм).
Кристаллическая основа составляет 60–70 % сухого вещества. В ее состав входят
нерастворимые в воде карбонаты кальция и магния (0,5–0,7 %) и силикатные частицы от 0,25 до 0,001 мм (15–20 %). Карбонатный коэффициент, т. е. отношение
количества карбонатов к силикатной части скелета, в среднем равен 0,05. Это позволяет отнести лечебную грязь оз. Утиного к силикатному типу.
Содержание гипса в пелоиде невелико – 0,3 % в пересчете на сухое вещество, что является положительным бальнеологическим фактором, так как мелкие
кристаллы гипса удаляются с трудом и являются балластом, снижающим водоудерживающую и адсорбционную способность грязи, а крупные кристаллы засоряют ее и могут ранить тело больного при лечении.
Материалом для образования коллоидной, как и кристаллической, основы грязи
служат твёрдые продукты, поступающие в озеро с паводковыми и ливневыми водами. Так, в одном литре пробы воды из водотока, вызванного ливневым дождём, содержалось около 8 г взвешенных наносов в основном из минералов силикатной
группы. Гидрофильный коллоидный комплекс главным образом составляют силикатные частицы (<0,001 мм) – до 5 % сухой массы грязи, органические вещества и
гидротроилит. По содержанию глинистых частиц грязь оз. Утиное можно отнести к
илам тонкого остова. Гидротроилит FeS ⋅ nH2O, придающий грязям черную окраску, содержится в большом количестве: 500–700 мг на 100 г нативной грязи. Значительный уровень содержания гидрата сернистого железа связан с наличием достаточного количества железа в минералах, попадающих в озеро, и высоким содержанием сероводорода, являющегося продуктом биохимического процесса восстановления сульфатов. В среднем концентрация H2S составляет 155 мг на 100 г грязи.
Количество органики в паратунской грязи в среднем 18 % сухой массы. В составе органической массы преобладают негидролизуемые вещества (6,7 % сухой
массы) и углеводы (до 5,2 % сухой массы), присутствуют в небольшом количестве битумы (0,6 % сухой массы). Обнаружены также гуминовые вещества и клетчатка (в среднем до 3 % сухой массы каждый). Минерализация составляет в
среднем 2,6 г/л. Химический состав сульфатный натриево-кальциевый. Изменчивость по всем компонентам грязевого раствора в пределах месторождения в
целом незначительна.
Таким образом, по своим физико-химическим свойствам лечебная грязь
оз. Утиное является иловой низкоминерализованной высокосульфидной грязью
озерно-ключевого генезиса с повышенным содержанием органических веществ
[14]. Все эти показатели обусловливают активность микробиологических процессов, разнообразие микроорганизмов в пелоиде. В элективных питательных средах
обнаружены аэробные и анаэробные сапрофиты; гетеротрофные бактерии, участвующие в процессах гидролиза биополимеров и брожения; гетеротрофные микроорганизмы, способствующие бактериальному восстановлению и окислению. Эти
микроорганизмы активно воздействуют на трансформацию органических и минеральных соединений озерных осадков и на формирование их лечебных свойств; по
данным С.И.Кузнецова, они являются постоянными компонентами бактериального ценоза естественных илов и имеют важное геохимическое значение [10].
79
Рис. 2. Микробиологические показатели лечебной грязи оз. Утиное. 1 – гнилостные аэробные (NH3);
2 – гнилостные аэробные (H2S); 3 – гнилостные анаэробные; 4 – денитрифицирующие (N2O); 5 – денитрифицирующие (N2); 6 – маслянокислые; 7 – целлюлозоразлагающие аэробные; 8 – целлюлозоразлагающие анаэробные; 9 – сульфатредуцирующие; 10 – тионовые; 11 – актиномицеты; 12 – плесневые
грибы. А – летняя съемка, Б – зимняя съемка
Исследования лечебной грязи показали, что содержание микроорганизмов в
ней непостоянно, оно зависит от времени года (рис. 2). Уменьшение численности
мезофилов зимой происходит из-за понижения температуры. С появлением ледяного покрова содержание кислорода в грязи уменьшается, что также влияет на численность микроорганизмов. Незначительное увеличение количества сульфатредуцирующих, маслянокислых, гнилостных анаэробов можно объяснить массовым
отмиранием фитопланктона в это время года, что ведет к обогащению пелоида органическим веществом, влияющим на плотность микробных сообществ.
Доминирующей группой в бактериальном ценозе донных отложений оз. Утиное как в летних, так и в зимних образцах грязи является аммонифицирующая, которая участвует в деструкции белковых соединений с образованием аммиака (до
107 клеток в 1 г грязи). Численность гнилостных аэробов, продуцирующих сероводород, также оказалась значительной (до 105 клеток в 1 г грязи). В результате
гнилостных процессов из азотсодержащих соединений типа белков и протеинов
образуются амиды, амины и аминокислоты. Последние, как отмечает С.И.Кузнецов с соавторами, разрушаются другими микробами этой группы до ароматических соединений (индола, скатола, фенола) и жирных кислот, которые бродят с образованием аммиака, метана, сероводорода и азота [9]. Каждый из этих продуктов
видоизменяется при разложении и синтезе с участием микроорганизмов других
физиологических групп.
Паратунский пелоид содержит большое количество органики, и гнилостные
микроорганизмы играют исключительно важную роль в ее биодеградации, так как
используют в качестве источника питания и энергии, обогащая лечебную грязь такими бальнеологически полезными соединениями, как сероводород и аммиак.
Гнилостные бактерии участвуют в образовании аммиака и аминных оснований из
белковых соединений и, поглощая кислород на поверхности донных отложений,
создают оптимальные условия для жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. На основании изложенного можно заключить, что качественный и количест80
венный состав микрофлоры лечебной грязи оз. Утиное определяют в основном
белковые соединения.
Аммиак не только подщелачивает грязевой субстрат, создавая благоприятную
среду для большинства микроорганизмов, но может преобразовываться нитрифицирующими бактериями в нитриты – нитраты, которые являются акцепторами электронов анаэробного дыхания денитрифицирующих бактерий. В донных
отложениях, где денитрификация идет гораздо интенсивнее, чем в водной массе,
количество бактерий, участвующих в этом процессе, во много раз превышает количество нитрифицирующих. В исследуемом пелоиде нитрифицирующие бактерии не были обнаружены ни в одной пробе, в то время как денитрификаторы,
восстанавливающие нитраты до закиси азота, высевались повсеместно до
104–105 микробных тел в 1 г грязи. Значительное количество денитрификаторов –
факультативных анаэробов – свидетельствует о потере азота в результате денитрификации. Следуя Дж.Вуду с соавторами [17], отсутствие нитрифицирующих бактерий в биоценозе паратунского пелоида можно объяснить большим содержанием
в нем органики, что ингибирует развитие нитрификаторов.
Среди микроорганизмов, минерализующих органические вещества, в летних и
зимних пробах пелоида обнаружены маслянокислые (до 104 клеток в 1 г грязи), целлюлозоразлагающие аэробы (102–103 клеток в 1 г грязи) и анаэробы (до 103 клеток в
1 г грязи). Обе группы играют большую роль в формировании лечебных грязей. Маслянокислые микроорганизмы вызывают брожение углеводов, крахмала, декстрина,
гликогена, образуя масляную и уксусную кислоты, водород и двуокись углерода. Целлюлозоразлагающие относятся к гетеротрофным бактериям, разрушающим полисахарид растительных остатков. Эти микроорганизмы развиваются в аэробных и анаэробных условиях в симбиозе с гнилостными бактериями и грибами, продуцирующими аминокислоты [9]. При аэробном разложении клетчатки образуется углекислый газ и почти не выделяются органические кислоты и другие промежуточные продукты разложения. Анаэробная ферментация целлюлозы осуществляется различными видами Clostridium. Основными продуктами анаэробного распада целлюлозы являются углекислый газ, водород, этанол, летучие жирные кислоты: уксусная, янтарная, муравьиная, масляная и молочная, – которые используются в качестве энергетического материала сульфатредуцирующими бактериями.
Сульфатредукция является одним из наиболее важных процессов, происходящих в пелоидах в восстановительных условиях, поскольку сульфид-ионы, взаимодействуя с железом, образуют гидрат сернистого железа – ценный бальнеологический продукт. Развитие сульфатредуцирующей микрофлоры возможно лишь
в анаэробных условиях при наличии достаточного количества сульфатов и органического вещества [15, 16]. Высокая влажность, благоприятная окислительновосстановительная среда, коллоидная структура пелоида, обилие органического
субстрата, значительное содержание минеральных ионов создают оптимальные
условия для жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, что подтверждается данными микробиологических анализов: количество этих бактерий достигает 104 клеток в 1 г грязевого субстрата. Наличие реакционноспособного железа
способствует накоплению в осадках гидротроилита в значительных количествах –
до 2,5 % сухой массы.
Полученные данные по составу микробного биоценоза пелоида показывают,
что в донных отложениях оз. Утиное происходит окисление соединений серы тионовыми бактериями, численность которых достигает 103 клеток в 1 г грязи.
В пелоиде озера выявлены также актиномицеты (до 102 клеток в 1 г грязи) и
плесневые грибы (до 102 клеток в 1 г грязи). Они относятся к гетеротрофным,
81
преимущественно аэробным микроорганизмам, интенсивно минерализуют органические вещества, в том числе такие стойкие, как клетчатка и лигнин, участвуют в
превращении белков и углеводов в органические кислоты, в результате чего повышается кислотность, усиливается распад минералов, возникают органоминеральные
комплексы. Благодаря способности разлагать органические вещества плесневые
грибы активно начинают этот процесс, сменяясь затем бактериями грязе-илового сообщества [4]. По мнению некоторых исследователей, актиномицеты не только участвуют в разложении органических веществ, но и выделяют продукты метаболизма,
которые во многом определяют антимикробные свойства пелоидов [7, 8, 11].
Многолетние систематические исследования свидетельствуют об относительном межгодовом постоянстве качественного и количественного состава микрофлоры донных отложений оз. Утиное, что является признаком трофической стабильности и экологического равновесия системы водоема и окружающей среды [13].
Результаты изучения говорят о высоких лечебных качествах паратунского пелоида, позволяют установить общемикробиологический стандарт для данного типа
лечебной грязи и показывают значительную роль микробного сообщества в деструкции органического вещества, в формировании физико-химических и микробиологических свойств пелоида.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адилов В.Б., Михеева Л.С., Требухов Я.А. К вопросу о систематизации лечебных грязей // Вопр.
изучения лечебных минеральных вод, грязей и климата. М., 1980. С. 90–105. (Тр. ЦНИИКиФ; т. 43).
2. Александров В.А. Пелоиды (лечебные грязи) Советского Союза // Основы курортологии. М.:
Медгиз, 1956. Т. 1. С. 347–372.
3. Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природоведческую микробиологию. М.: Университет, 2001. 255 с.
4. Звягинцев Д.Г. Деструкция органического вещества в почве // Микробиологическая деструкция
органических остатков в биогеоценозе: материалы всесоюз. совещ. М., 1987. С. 42–44.
5. Иванов В.В., Малахов А.М. Генетическая классификация лечебных грязей
(пелоидов) СССР // Материалы по изучению лечебных грязей, грязевых озер и месторождений. М.:
Медгиз, 1963. С. 9–26.
6. Иванов В.В., Невраев Г.А., Фомичев М.М. Каталог грязевых месторождений СССР. М.: Недра,
1970. 168 с.
7. Килина Е.С., Тронова Т.М., Клопотова Н.Г. Биологическая активность сапропелевых лечебных
грязей Сибири // Вопр. курортологии, физиотерапии и лечеб. физ. культуры. М., 1997. № 2. С. 23–25.
8. Красильников Н.А. Антагонизм микробов и антибиотические вещества. М.: Сов. наука, 1958.
338 с.
9. Кузнецов С.И., Саралов А.И., Назина Т.Н. Микробиологические процессы круговорота углерода
и азота в озерах. М.: Наука, 1985. 211 с.
10. Кузнецов С.И. Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность. Л.: Наука, 1970. 440 с.
11. Новожилова М.И., Фролова Л.Ф. Микрофлора лечебных грязей Казахстана. Алма-Ата: Наука,
1975. 179 с.
12. Ступникова Н.А., Христофорова Н.К., Мурадов С.В. Месторождение лечебной грязи «Озеро
Утиное»: условия формирования и оценка состояния при антропогенном воздействии // География и
природ. ресурсы. 2003. № 4. С. 39–43.
13. Ступникова Н.А., Мурадов С.В. Экологическая роль микроорганизмов лечебной грязи, формирующейся в зоне активного вулканизма // Вулканизм, биосфера и экологические проблемы: материалы
3-й междунар. конф. Туапсе, 2003. С. 75–77.
14. Требухов Я.А. О содержании органического вещества в лечебных сапропелях // Вопр. изучения
лечебных минеральных вод, грязей и климата. М., 1976. С. 147–153. (Тр. ЦНИИКиФ; т. 31).
15. Ingvorsen K., Zeikus J.C., Brock T.D. Dynamics of bacterial sulfate reduction in an eutrophic lake //
Appl. Environ. Microbiol. 1981. Vol. 41, N 4. Р. 1029–1036.
16. Postgate J.R. The sulfate - reducing bacteria. Cambridge: Univ. Press. 1979. 151 p.
17. Wood J.B., Hurley B.Y.F., Matthews P.J. Some observations on the biochemistry and inhibition of
nutrification // Water Res. 1981. Vol. 15, N 5. Р. 543.
82