Геохимическая деятельность микробных сообществ минеральных источников Восточных Саян

В горной системе Восточных Саян распространены многочисленные выходы горячих и холодных минеральных вод. В основном они расположены группами в долинах рек по тектоническим разломам [1, 2]. Минеральные воды Хойто-Гол и Жойгон - это места обитания и функционирования различных групп микроорганизмов и их сообществ с самыми разными типами питания и обмена веществ [3].

Целью данной работы было выявление микроорганизмов из микробных матов минеральных источников Хойто-Гол и Жойгон, способных к различным типам питания.

Объекты исследования

Объектами исследования явились микроорганизмы и их сообщества минеральных источников Хойто-Гол и Жойгон.

Местность Хойто-Гол - это пять выходов гидротермальной воды с температурой от 30 до 34,5°С и суммарным дебетом 13 л/сек. Минеральные воды Жойгона находятся в долине реки Арак-Хем, в 1-2 км западнее границы республик Бурятия и Тыва. На этой небольшой территории длиной 200 и шириной 100 м расположены более 20 выходов горячих (до 38,5°С) и холодных (до 7,5°С) минеральных вод.

Минеральные воды Хойто-Гол и Жойгон привлекают внимание исследователей по ряду причин, как естественнонаучных, так и прагматических. В связи с их труднодоступностью история их изучения начата сравнительно недавно. Физико-химические характеристики минеральных источников описаны с середины прошлого века. Выходы воды этих минеральных источников имеют низкую минерализацию, нейтральные значения рН и невысокую температуру гидротерм. Характерной особенностью группы минеральных источников Хойто-Гол является присутствие сероводорода, поступление которого осуществляется с вулканическими флюидами.

Тип минеральных вод в источниках Хойто-Гол: термальный углекисло-азотный, гидрокарбонатно-натриево-кальциевый тип. Минерализация воды составляет 0,6 г/л. Максимальная температура в источнике составляет 34,4оС.

Тип минеральных вод в источниках Жойгон: термальный углекислый гидрокарбонатно-кальциево-натриевый тип. Минерализация воды составляет 2,6 г/л. Содержание углекислого газа достигает 90%. Максимальная температура в источнике составляет 38,5оС, минимальная - 8оС.

Методы исследования

Для выделения и культивирования бактерий использовали традиционные методы практической микробиологии, приведенные в лабораторных руководствах [4].

Протеолитические и целлюлозоразлагающие бактерии определяли на элективной среде Пфеннига с добавлением 1,5 пептона и фильтровальной бумаги соответственно. Сульфатредуцирующие бактерии определяли на жидкой среде Видделя с ацетатом натрия. Для выделения культур тионовых бактерий применялась среда Бейеринка. Бактерии, восстанавливающие соединения железа, определены на среде Бромфильда. Видовой состав цианобактерий определяли с помощью световых микроскопов PZO (Польша) и Axiostar plus (Karl Zeiss). Содержание белка в микробной биомассе определяли в жидкой среде по оптической плотности с помощью спектрофотометра «CECIL 1021 1000 series».

Морфологию, размеры, подвижность бактериальных клеток исследовали с помощью светового микроскопа PZO SK 14 (Польша), снабженного фазово-контрастным устройством при увеличении в 1250 раз.

Результаты и обсуждение

В минеральных источниках Хойто-Гол и Жойгон создаются благоприятные условия для развития фототрофных и серных микробных сообществ. На выходах термальной воды и далее по ручью наблюдалось массовое развитие микроорганизмов в виде матов и обрастаний.

В исследованных минеральных источниках оксигенных фотосинтетиков – цианобактерий – присутствовало не менее 10 видов: Oscillatoria tenuis, Oscillatoria limosa, Anabaena variabilis, Phormidium gelatinosum , Phormidium valderiae f. Р seudovalderianum, Oscillatoria tenuis f. Woronichiniana , Thiocapsa sp. Было отмечено массовое скопление Cylindrospermum gregarium . Данный вид встречается в основном в горячих источниках Средней Азии, и для Байкальского региона он редок (рис. 1).

Рис. 1. Цианобактерия Cylindrospermum gregarium .

Цианобактерии растут в автотрофных условиях. Основным источников углерода для них является углекислота. Часть этих бактерий, например Oscillatoria и Phormidium, растет на органических средах и в темноте.

Из аноксигенных фототрофных бактерий наблюдались микроорганизмы, близкие к Rhodopseudomonas palustris. Клетки палочковидные, 0,6-2,5 х 0,6 - 5,0 мкм, подвижные за счет жгутиков или неподвижные. Растут фотогетеротрофно с использованием ряда органических соединений в качестве источников углерода и доноров электронов. Фотоавтотрофный рост возможен в анаэробных условиях с использованием водорода, тиосульфата или сульфида в качестве донора электронов. Оптимальная температура 25-35^оС.

В минеральных источниках Хойто-Гол обнаружена одна из многочисленной группы хемолитоавтотрофных микроорганизмов, растущих в аэробных условиях - бесцветные серобактерии рода Thiothrix и Beggiato а . Они окисляют сероводород с накоплением в клетках серы, обычно в виде отдельных гранул.

Группа тионовых бактерий, активно растущая в минеральных источниках Хойто-Гол, является автотрофом. По физиолого-биохимическим свойствам она близка к роду Thiobacillus . Тионовые бактерии в исследуемых источниках представлены короткими палочками длиной 1,0-3,0 мкм, одиночные. Оптимальные значения температуры и рН для них было 7 и 30^оС соответственно. Тионовые бактерии серу в клетках не накапливают.

В минеральных источниках Жойгон обнаружены железобактерии, окисляющие двухвалентное железо в трехвалентное и откладывающие окислы железа на поверхности клеток. Микроскопическое изучение слизистого охристого осадка выявило присутствие заметного количества нитчатых железобактерий морфотипа Leptothrix и Gallionella sp. Данные бактерии относятся к хемоорганогетеротрофам.

Проба № 1 Jg5

0,450

0,400

0,350

0,300

0,250

0,200

0,150

0,100

0,050

0,000

1234567 Сутки

Разведение II (протеазн. активность) Разведение III (протеазн. активность) Разведение II (биомасса)

Разведение III (биомасса)

Рис. 2. Содержание белка в накопительных культурах протеолитических бактерий в микробном мате минерального источника Жойгон

В микробных матах исследовали микроорганизмы – деструкторы органического вещества – протеолитические, целлюлолитические и сульфатредуцирующие микроорганизмы. Сульфатредуцирующие микроорганизмы представлены бактериями рода Desulfovibrio .

В микробных матах содержание белка варьировало от 0,121 до 0,387 мг/л. В культуральной жидкости бактерий-протеолитиков было выявлено, что содержание белка было максимальным на 5-е сутки инкубирования (рис. 2)

Таким образом, в минеральных источниках Восточного Саяна присутствуют микроорганизмы-продуценты и деструкторы органического вещества, с автотрофным и гетеротрофным типом питания, которые активно участвуют в круговороте химических элементов.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов МО РФ РНП.2.1.1./2165, НОЦ «Байкал».