Гидрохимическая и микробиологическая характеристика гидротермы Кучигер
Автор: Будагаева Валентина Григорьевна, Устинова Олеся Валерьевна, Бархутова Дарима Дондоковна, Намсараев Баир Бадмабазарович
Журнал: Вестник Бурятского государственного университета. Философия @vestnik-bsu
Рубрика: Химия
Статья в выпуске: 3, 2015 года.
Бесплатный доступ
Изучены физико-химические условия и активность микробного сообщества гидротермы Кучигер. Фото-трофные и хемотрофные микроорганизмы активно участвуют в процессах продукции и деструкции органического вещества, формировании химического состава вод и лечебных илов источника.
Физико-химические показатели, активность микробного сообщества, термальный источник кучигер, байкальская рифтовая зона, продукции и деструкции органического вещества
Короткий адрес: https://sciup.org/148182892
IDR: 148182892
Текст научной статьи Гидрохимическая и микробиологическая характеристика гидротермы Кучигер
В Байкальской рифтовой зоне широко распространены азотные гидротермы [1]. Такие термальные воды формируются в зонах тектонических разломов, где химический состав и газовый состав определяются температурой вмещающих пород и интенсивностью водообмена атмосферных осадков, поверхностных и подземных вод. Формирование источников неоднородного химического состава определяется процессами поступления метеорных вод, смешиванием их с поступающими снизу водными флюидами и взаимодействием вод с породами. Физико-химические условия в источниках определяют развитие микробных сообществ. Температура изливающихся вод равна 20-81 ° С, минерализация – 1.0 г/дм3, значения pH 7,5–10,3. В газовом составе термальных вод преобладает азот (обычно занимает более 98 % объема), содержание углекислого газа иногда достигает 3-4, водорода 0,3-0,6 об. % .
В некоторых источниках, имеющих сульфатно-гидрокарбонатный или гидрокарбонатно-сульфатный состав вод, установлен сероводород до 31 мг/дм3.
Высокая температура, поступление макро- и микроэлементов с подземными водами благоприятствуют активной деятельности микроорганизмов, которые участвуют в круговороте биогенных элементов в лито- и биосфере [2, 3]. Разнообразие экологических условий в местах выхода подземных вод определяет особенности функционирования микробных сообществ гидротерм.
В статье представлены результаты исследования физико-химических условий и активности микробного сообщества гидротермы Кучигер.
Объект и методы исследования
Группа термальных источников Кучигер расположена на территории 200 х 250 м2, находится в северной части Баргузинской котловины на высоте 570 м над уровнем моря [3].
На месте отбора проб измеряли температуру, рН (Еh) и минерализацию воды. Концентрацию карбонатов, сульфатов, сульфидов определяли титрованием [4]. Активность фотосинтеза и темновой фиксации углекислоты определяли в изолированных пробах с радиоактивным 14С бикарбонатом, сульфатредукцию – с меченным 35S-сульфатом, метаногенез – с меченным по 14С бикарбонатом [5]. Пробы воды, микробных матов и осадков помещали в стеклянные флаконы объемом 20 мл и экспонировали в течение 4–10 ч in situ .
Результаты и обсуждение
За период проведения исследований с 1994 г. по настоящее время температура не изменилась и равна 40–52 оС, рН 9,2–10,2. Содержание гидрокарбонатов варьировало в пределах 27,4–109,8 мг/дм3, хлоридов 14,2–17,7 мг/дм3, сульфатов 67,8–136,9 мг/дм3, сероводорода до 31,96 мг/дм3. В зависимости от времени года вода видоизменяет свой химический состав [2]. В летние месяцы преобладают гидрокарбонаты, в зимний период значительно увеличивается удельный вес сульфатов. Отмечено повышенное содержание редкоземельных элементов. По химическому составу вода относится к фтористому сероводородному гидрокарбонатно-сульфатному натриевому типу и по лечебным свойствам аналогична воде Кульдур (Еврейская автономная область).
Таблица 1
Химический состав воды источника Кучигер, 2005 г. (мг/дм3)
Станция |
Ca 2+ |
Mg 2+ |
Na+ и К+ |
Cl- |
SO4 2- |
HCO 3 - |
CO3 2- |
S 2- |
Колодец |
8,02 |
2,43 |
117,07 |
14,2 |
126,25 |
52,46 |
54,00 |
31,96 |
Грифон |
8,02 |
3,65 |
95,45 |
10,65 |
97,45 |
31,72 |
60,00 |
20,52 |
Баня |
6,01 |
3,65 |
84,64 |
7,10 |
106,30 |
24,40 |
44,40 |
4,27 |
Дальний |
8,02 |
19,46 |
46,46 |
10,30 |
75,31 |
53,68 |
38,40 |
2,07 |
Термальные воды, проходя через рыхлые отложения и обогащая их сероводородом, создают значительные запасы лечебных сульфидных иловых грязей. Содержание С орг в илах и матах составляет 1,1–19,2 %. Запасы лечебной грязи обладают хорошими вязко-пластичными свойствами, ориентировочно оцениваются в 30–40 тыс. м3. Это иловые отложения источника, в которые поступает большое количество растворенных минеральных веществ, особенно сульфатных ионов, и твердых, как правило, глинистых частиц с содержанием железа [6]. Илы обладают большой поглотительной способностью задерживать в себе газы и соли из воды источников.
Физико-химические условия благоприятствуют деятельности микроорганизмов. На выходах горячих ручьев развиваются микробные маты, эдификаторами в которых являются цианобактерии, фотобактерии и хемолитотрофы (табл. 2). В источнике «Дальний» слоистый цианобактериальный мат содержал пурпурные бактерии морфотипа Chromatium sp. В источнике «Старый колодец» цианобактериальный мат имел толщину 1,5 см и состоял из 5 слоев. Формообразующими организмами цианобактериальных матов были нитевидные цианобактерии Oscillatoria sp. и Phormidium sp. Содержание хлорофилла а в слоях микробного мата варьировало от 0,38 до 3,2 мг/см2. При более низких температурах и снижении концентрации сероводорода в ручье обнаружены скопления белых нитей, прикреп- ленных ко дну ручья. Они определены как бактерии морфотипа Beggiatoa sp. и Thiothrix sp.
На начальных стадиях деструкции органического вещества участвуют гидролитические микроорганизмы, разлагающие высокополимерные соединения. В разложении белка и пептидов участвуют протеолитические микроорганизмы. Аэробные и анаэробные протеолитики, целлюлолитики и сапрофиты обнаружены во всех исследуемых пробах. Их количество варьировало в зависимости от места отбора пробы. Максимальная численность аэробных протеолитиков составляла 100 000 кл/мл, а анаэробных – 1000 кл/мл. Численность анаэробных целлюлолитиков достигала 100–1000 кл/мл, аэробных – 10–100. Численность сапрофитов в источниках варьировала в широких пределах в зависимости от физико-химических условий среды обитания. Максимальная численность аэробных сапрофитов была равна 2 500 000 кл/мл. Количество анаэробов-сапрофитов в микробных матах достигало 100 000 кл/мл.
Морфологическое изучение видового состава накопительных культур и изолированных колоний бактерий-деструкторов выявило их большое разнообразие. Культуры сапрофитных и протеолитических бактерий были представлены палочковидными и округлыми формами. Палочковидные бактерии ( Bacillus sp., Pseudomonas sp.) обладали разной подвижностью. Среди них встречались Грам– и Грам+ бактерии. Сапрофиты и протеолитики образовывали бесцветные, белые и пигментированные колонии. Целлюлолитики были представлены подвижными споровыми и неспоровыми палочковидными бактериями морфотипов Clostridium sp. и Cellvibrio sp. Среди сульфатредуцирующих микроорганизмов преобладали Грам–бактерии в форме вибриона ( Desulfovibrio sp.) и споровые палочковидные Грам+ бактерии (возможно, Desulfotomaculum sp.).
Таблица 2
Микробные сообщества источников Кучигер
Место отбора |
Т, оС |
Описание пробы |
Грифон |
42,0 |
Серый ил |
Ручей |
30,0 |
Скопления белых нитей, прикрепленных ко дну |
Колодец |
32,0 |
Цианобактериальный мат толщиной 1,5 см, состоящий из 5 слоев:
|
Дальний |
34,0 |
Тонкий цианобактериальный мат зеленого цвета с белыми и пурпурными пятнами |
Была изучена интенсивность микробного разложения белка и целлюлозы in situ при помощи аппликационного метода (табл. 3). Исследования показали, что среднесуточная скорость разложения белка в термальных источниках варьировала от 1,7 до 2,8 %. Максимальные значения этого процесса выявлены в роднике «Грифон» источника Кучигер. Скорость разложения целлюлозы в исследуемых сероводородных источниках была ниже скорости разложения белка и составляла 1,1–1,7 % в сутки. Целлюлолитическая активность микробного сообщества была примерно одинакова в диапазоне температур 30-42 ° С.
Таблица 3
Разложение белка и целлюлозы в источник Кучигер
Станция |
Температура, оС |
Разложение, % в сутки |
|
белка |
целлюлозы |
||
Грифон |
42,0 |
2,80 |
1,70 |
Дальний |
34,0 |
2,20 |
1,50 |
Ручей |
30,0 |
1,70 |
1,10 |
Микробные сообщества гидротермы Кучигер являются высокопродуктивными системами. Скорость продукции органического вещества достигала 17,921 г С/м2 в сут. в цианобактериальном мате и 5,189 и 6,070 г С/м2 в сут. в матах «Грифон» и «Старый колодец» соответственно.
Из терминальных процессов деструкции органического вещества в сероводородных источниках нами были изучены бактериальное образование метана и сульфатредукция.
Поступление значительных количеств сульфатов и легкоразлагаемых органических веществ способствует деятельности сульфатредуцирующих бактерий. В гидротерме Кучигер скорость сульфат-редукции достигала 0,12–0,5 мг S/кг сут. Максимальная скорость выявлена в источнике «Колодец». Скорость образования метана в гидротерме составляла 2,6–24,5 мкл СН 4 /кг сут. Наибольшая скорость была выявлена в микробных матах со станции «Колодец». Расход органического углерода бактериями в процессах сульфатредукции и метаногенеза приведен в таблице 4. В иловых отложениях и микробных матах изученных источников основной поток органического вещества используется для восстановления сульфатов. В большинстве проб сульфатредукторы используют на порядок больше органического вещества, чем метаногены. За сутки в 1 кг ила сульфатредукторами расходуется 0,09–0,4 мг С, тогда как метаногенами – 0,008–0,033 мг С. Активная деятельность сульфатредукторов объясняется относительно высокой концентрацией сульфатов, достигающей 106,3 мг/дм3. Сульфат-ионы поступают с подземными водами и образуются в ручьях по изливу в результате химического и микробиологического окисления сероводорода. Субстраты сульфатредуцирующих бактерий (низкомолекулярные органические вещества) образуются первичными анаэробами при деструкции автохтонного и аллохтонного органического вещества источников.
Таблица 4
Скорость микробиологических процессов сульфатредукции и метаногенеза
Место отбора |
Тип пробы |
T, ° C |
Сульфатредукция |
Метаногенез |
||
мгS/кг сут. |
мгC/кг сут. |
мклCH4/кг сут. |
мгC/кг сут. |
|||
Грифон |
Темно-серый ил |
41 |
0,4 |
0,3 |
10,9 |
0,033 |
Ручей |
Белый мат |
33,7 |
0,12 |
0,09 |
2,6 |
0,008 |
Колодец |
Цианобактериальный мат |
36,7 |
0,50 |
0,4 |
24,5 |
0,07 |
Таким образом, проведенные исследования показали, что в местах выхода источника Кучигер и теплом ручье формируются микробные сообщества. Специфичность этих сообществ и функциональная активность микроорганизмов определяются физико-химическими условиями среды обитания: температурой, освещением и химическим составом воды. Количественная оценка активности микроорганизмов показывает, что фототрофные и хемотрофные микроорганизмы активно участвуют в процессах продукции и деструкции органического вещества, формировании химического состава вод и лечебных илов источника Кучигер.
Список литературы Гидрохимическая и микробиологическая характеристика гидротермы Кучигер
- Борисенко И.М., Замана Л.В. Минеральные воды Бурятской АССР. -Улан-Удэ: Бурят. кн. изд-во, 1978. -162 с.
- Микробные сообщества щелочных гидротерм/З.Б. Намсараев, В.М. Горленко, Б.Б. Намсараев., Д.Д. Бархутова. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. -111 с.
- Геохимическая деятельность микроорганизмов гидротерм Байкальской рифтовой зоны/Б.Б. Намсараев . -Новосибирск: Гео, 2011. -302 с.
- Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопинцев Б.А. Руководство по химическому анализу вод суши. -Л.: Гидрометеоиздат, 1973. -280 с.
- Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. -М.: Наука, 1989. -288 с.
- Водные системы Баргузинской котловины/В.В. Хахинов . -Улан-Удэ: Изд-во Бурят. гос. ун-та, 2007. -152 с.