Физико-химическая и микробиологическая характеристика льда озера Белое

Содово-соленые озера характеризуются экстремальными условиями обитания (щелочными значениями pH, высокой минерализацией) и представляют интерес как места обитания алкалофильных микроорганизмов, участвующих в круговороте веществ и энергии, в создании биологически активных веществ, таких как витамины, ферменты, органические кислоты и др. [1].

Одним из наиболее значимых факторов, оказывающих влияние на жизнедеятельность микроорганизмов является температура. От продолжительного и интенсивного действия температуры зависят изменения метаболизма и свойств микроорганизмов, что приводит к изменениям их численности. Микроорганизмы, способные размножаться и активно функционировать при низких температурах называются психрофильными. Они развиваются в диапазоне температур от 0 до 20оС, с оптимумом ниже 20оС, причем имеются организмы, развивающиеся как при температурах около 0оС, так и при отрицательных значениях [2].

Цель настоящей работы – изучение физико-химических свойств талой воды из льда, определение общей численности микроорганизмов и сапротрофитов озера Белое.

Объекты и методы

Объект исследования – содовое озеро Белое, расположенное в Оронгойской впадине в долине реки Селенги в 47 км на юго-восток от г. Улан-Удэ. Озеро находится в замкнутой котловине округлой формы, наибольшая площадь озера 0,63 км2, максимальная глубина 2,1 м [3]. Глубина и площадь озера меняются в зависимости от метеорологических условий. Пробы льда отбирали из разных горизонтов, включая поверхностный слой. Лед хранили в полиэтиленовых пакетах в темноте при температуре ниже нуля. Перед проведением анализов лед помещали в стерильную посуду и растапливали при комнатной температуре.

Содержание карбонатов и гидрокарбонатов определяли прямым титрованием. Содержание сульфидов в донных осадках определяли фотометрическим методом, основанным на реакции сероводорода и сульфид-ионов с диметил-пара-фенилендиамином в кислой среде [4]. pH определяли pH-метром pHep («Hanna», Италия). Соленость определяли кондуктометром DIST 1 («Hanna», Италия).

Для определения общей численности микроорганизмов воду, полученную при растапливании льда, фильтровали через нитро-целлюлозные фильтры с диаметром пор 0,22 мм («Владисарт», Россия), окрашивали 5%-ным раствором эритрозина и просматривали на микроскопе Axiostar Plus («ZEISS», Германия) при увеличении 1,25х10х100 в двадцати полях зрения. Расчет численности бактерий производился по формуле:

N=n∙K/V, кл/мл, где n – среднее число бактерий в одном поле зрения; K – отношение фильтрующей площади фильтра S (мкм) к просчитываемой площади поля зрения s; V – объем профильтрованной воды (мл) [5].

Численность протеолитиков определяли высевом проб на жидкую минеральную среду следующего состава (г/л): KH 2 PO 4 – 0,2; MgCl 2 ∙6H 2 O – 0,1; NH 4 Cl – 0,5; KCl – 0,2; дрожжевой экстракт – 0,05; NaHCO 3 – 3; NaCl – 1,5%; пептон – 1,5%. Для выявления численности сапрофитов использовалась твердая агаризованная среда следующего состава (г/л): KH 2 PO 4 – 0,2; MgCl 2 ∙6H 2 O – 0,1; NH 4 Cl – 0,5; KCl – 0,2; дрожжевой экстракт – 0,05; NaHCO 3 – 3; NaCl – 1,5%; РПА – 2,5%; агар – 1,5%. Среды стерилизовали при температуре 120°С и давлении 1 атм в течение 20 мин. Посевы производили для анаэробов и для аэробов. Культивирование бактерий осуществляли при различных температурах: в термостате при 30^оС и в криостате при 10^оС. Параллельно ставили химический контроль.

Результаты и обсуждение

По глубине колонки льда кислотность среды (pH) варьировала от 9,23 до 10,32 (рис. 1). В слое 20 см происходит резкое возрастание показателя pH, который затем не сильно изменяется до самых нижних горизонтов льда.

. Ошибка!

Рис. 1. pH льда озера Белое

Наблюдается направленное увеличение солености и количества ионов CO 3 ^2- и HCO 3 ^- в ледяном покрове от поверхностных слоев к нижним (рис. 2, 3). Наибольшее содержание карбонатов (120 мг/л) выявлено в нижнем слое, наибольшее содержание гидрокарбонатов (246,4 мг/л) – на глубине 70-80 см. В верхних слоях отмечены наименьшие значения всех этих показателей, что обусловлено более низкой температурой замерзания минерализованной воды по сравнению с опресненной, вследствие чего в ледяном покрове озера сначала формируются верхние опресненные слои, а затем нижние с уже более высоким содержанием солей. Распределение карбонатов, гидрокарбонатов и других ионов по вертикальному разрезу ледяного покрова согласуется с особенностями его формирования. Нарастание концентрации ионов от поверхности льда к нижним горизонтам свидетельствует в пользу преобладающей миграции растворов вниз. При образовании льда часть солей переходит в водную толщу, что приводит к увеличению минерализации воды. Минерализация подледной воды составляла 2681 мг/л. В подледной воде было измерено содержание сульфидов, которое составило 61,92 мг/л. Столь высокое количество сульфид-ионов в воде, по-видимому, связано с деятельностью сульфатредуци-рующих бактерий, как в воде, так и в донных осадках, с последующей миграцией сульфид-ионов из донных осадков в водную толщу.

Определение общей численности микроорганизмов (ОЧМ) показало, что максимальное их количество выявлено в слое льда 70-80 см и составляло 34,8∙106 кл/мл. Наименьшая общая численность (3,9∙105 кл/мл) отмечена в верхних горизонтах льда (рис. 4). Увеличение общей численности к нижним горизонтам, по-видимому, связано с увеличением численности сульфатредуцирующих бактерий.

Методом предельных разведений определены численности жизнеспособных сапротрофных микроорганизмов. Численность протеолитиков, культивировавшихся при температуре 30оС, варьировала от 10 до 105 кл/мл (табл.). В верхних слоях аэробы количественно превосходят анаэробов, в нижних слоях численность анаэробов существенно возрастает, а аэробов – снижается. В слое 10-20 см отмечена более высокая численность протеолитиков, культивировавшихся при температуре 10оС, чем при температуре 30оС.

Рис. 3. Содержание CO₃ ^2- и HCO₃ ^- в ледяном покрове

Рис. 2. Соленость льда

Рис. 4. ОЧМ в ледяном покрове озера Белое

Численность сапрофитов, культивировавшихся в анаэробных условиях при 30оС, варьировала от 6∙103 до 43∙105 кл/мл; при 10оС – от 102 до 31∙104 кл/мл. Начиная с глубины 20 см и далее вниз по всей колонке льда, отмечена довольно высокая численность аэробных сапрофитов, культивировавшихся при 10оС, по сравнению с культивировавшимися при 30оС (табл.). Максимальная численность аэробных сапрофитов (97∙105 кл/мл) наблюдалась в слое 10-20 см при температуре культивирования 30оС.

Таблица

Численность протеолитиков и сапрофитов в ледяном покрове озера Белое, кл/мл

Слой	Протеолитики				Сапрофиты
	Анаэробы		Аэробы		Анаэробы		Аэробы
	10 оС	30 оС	10 оС	30 оС	10 оС	30 оС	10 оС	30 оС
1 (0-10 см)	10	10	103	103	2∙102	56∙104	14∙104	48∙105
2 (10-20 см)	104	102	103	102	18∙102	17∙104	28∙104	97∙105
3 (20-30 см)	10	104	10	105	14∙104	118∙104	12∙105	66∙104
4 (30-40 см)	102	104	102	104	3∙103	18∙104	8∙104	4∙104
5 (40-50 см)	103	104	104	105	12∙103	35∙105	24∙104	7∙104
6 (50-60 см)	103	103	104	103	27∙103	18∙105	3∙104	8∙103
7 (60-70 см)	10	102	10	104	19∙104	87∙104	17∙104	4∙104
8 (70-80 см)	103	104	10	102	155∙103	57∙104	2∙104	4∙103
9 (80-90 см)	10	10	102	10	102	6∙103	104	2∙103
10 (90-100 см)	10	102	10	10	31∙104	43∙105	22∙105	2∙103
11 (100-110 см)	103	105	10	10	19∙104	62∙104	6∙105	4∙103

Таким образом, в ледяном покрове озера отмечено увеличение значений pH, минерализации льда и содержания карбонатов и гидрокарбонатов к нижним слоям, что связано с особенностями формирования ледяного покрова на озере Белое. Также в ледяном покрове озера Белое наблюдается вертикальное изменение общей численности микроорганизмов и численности микроорганизмов сапро-трофного комплекса. Общая численность возрастает с глубиной и достигает пика в слое 70-80 см, после чего снижается. В некоторых слоях обнаружены микроорганизмы, для жизнедеятельности которых более благоприятны условия с низкой температурой культивирования.