Гидрохимическая и микробиологическая характеристика соленых озер Шихалин-Нур и Хара-Нур (Юго-Восточное Забайкалье)

Соленые озера представляют собой уникальные объекты для широких научных исследований [Заварзин и др., 1999; Солоноватые и соленые... 2009; Hardie еt al., 1978]. Постоянный интерес к изучению этих экосистем связан, во-первых, с эволюционными процессами развития геобиосистем [Obyazov, 1996]; во-вторых, рациональным использованием их биологических ресурсов [Бархутова и др., 2018]; в-третьих, они являются источниками уникальных микроорганизмов с большим биотехнологическим потенциалом [Nerbert, 1992].

Природно-климатические условия и географические особенности Юго-Восточного Забайкалья способствуют формированию большого количества содовых и соленых озер. В многоводные годы на этой территории насчитывается несколько тысяч естественных озерных водоемов, из которых 72 % приходится на бассейны рек Онон, Борзя и Улдза, третью часть из которых составляют озера площадью меньше 1,0 км2 [Дзен-Литовский, 1967]. Гидрохимический и гидробиологический режимы этих озер определяются региональными климатическими особенностями. В период наших исследований большинство озер были мелководными. Целью исследований было выявление микробиологических характеристик, связанных с гидрохимическими показателями изучаемых озер.

Материалы и методы

В качестве объектов исследования были выбраны соленые озера Шихалин-Нур (N49.880329, E116.812951) и Хара-нур (N49.945159, E116.714572), расположенные вблизи станции Даурия (Забайкальский край). Эти озера находятся в пределах Восточно-Монгольской платформы [Парфенов и др., 1999] и относятся к Торей-ской системе соленых озер [Борзенко, 2018]. Котловина озер сложена породами осадочного и вулканогенно-осадочного образования окраинных морей, формировавшихся на различных этапах и при неодинаковых геодинамических режимах по периферии Сибирского континента1. Почвы, прилегающие к котловине озер, по степени засоления характеризуются как среднезасоленные, а по типу химизма — преимущественно натриево-сульфатно-содовые [Убугунов, Убугунова, 2023]. К основным чертам климата относятся резкая континентальность, отрицательные среднегодовые температуры, недостаточная увлажненность, неравномерное выпадение атмосферных осадков по сезонам, влияние тихоокеанских муссонов2. Очень важной особенностью является выраженная цикличность количества выпадающих осадков с периодом около 30 лет, которая оказывает влияние на уровень водности озер [Обязов, 1999; Кашницкая, 2021].

Отбор проб воды, донных осадков и цианобактериальных матов проводился с использованием микробиологических методов в стерильную посуду для дальнейших исследований в лабораторных условиях. Образцы взяты в центральной глубоководной части и прибрежной зоне озер. Некоторые физико-химические показатели определяли непосредственно в местах отбора проб с использованием портативных пр иборов: температура и рН (рН — 200 НМ Digital, Южная Корея);

общая минерализация воды (тест-кондуктометр TDS-4, Сингапур); окислительно-восстановительный потенциал — Eh (ORP-169 B Kelilong, Китай); концентрация растворенного кислорода (портативный анализатор Oxi 315i, WTW, Германия). Концентрацию карбонатов, гидрокарбонатов, хлоридов, кальция и магния в воде определяли титриметрическими, сульфатов-турбидиметрическим методами [ Намсараев Б. Б. и др., 2006], концентрацию катионов натрия и калия — пламенно-фотометрическим методом на атомно-адсорбционном спектрофотометре ААС SOLAARMG [Методы гидрохимических исследований... 1988]. Органический углерод в донных осадках анализировали методом мокрого сжигания по Тюрину [Аринушкина, 1970]. Скорость разложения белка и целлюлозы изучали аппликационным методом [Теппер и др., 1987]. Концентрацию фотосинтетических пигментов в микробных матах определяли по стандартной методике [Методы химического анализа, 1979]. Спектры фотосинтетических пигментов получены на приборе Specord UVIS (Германия). Для микроскопического анализа в полевых условиях аликвоты по 10 мл воды фильтровали через нитроцеллюлозный фильтр с диаметром пор 0,22 мкм. Микроскопический анализ проб воды проведен в соответствии со стандартной методикой [Kuznetsov, Dubinina, 1989].

Результаты и обсуждение

В период наших исследований (июль 2019 г.) озера отличались мелководно-стью, глубина в центральной части водоемов составляла 0,3–0,5 м, площадь водной поверхности была менее 1 км2 (табл. 1). Края водоемов отошли более чем на 200 м от береговой линии. Температура воды в прибрежной части озер была выше, чем в центральной, и составляла 26,1 и 27,8 ºС. Значения рН находились в щелочной области и варьировали от 8,2 до 9,5.

Таблица 1

Морфометрические и физико-химические показатели исследованных озер

Озеро	Место отбора	Координаты	cd о ц К	* £ cd" К S S'	и cd" CD H	К Рч	m s -й" M	.Ң cT
Шихалин-нур	Прибрежная зона	N49.880329,	0,52	0,30	26,1	8,2	30,4	4,9
Шихалин-нур	Центральная часть	E116.812951			24,8		9,2	1,3
Хара-нур	Прибрежная зона	N49.945159,	1,18	0,5	27,8	9,5	48,7	3,2
Хара-нур	Центральная часть	E116.714572			26,1		17,5	0,9

* Глубина измерена в центральной части озера

Анализ химического состава озерных вод показал, что основными компонентами минерализации воды являются натриевые и хлоридно-сульфатные ионы (табл. 2). По составу катионов магний является вторым по значимости после натрия. Из анионов наибольшее содержание в воде составляют хлориды. При этом в воде озера Хара-Нур хлоридов больше, чем в воде Шихалин-Нур. Высокие концентрации хлор-ионов характерны для озер Юго-Восточного Забайкалья [Дзен-Литовский, 1967; Сыренжапова, 2004; Дамбаев и др., 2008; Абидуева и др., 2008; Борзенко, 2018]. Исследованные нами озера по минерализации воды характеризуются как солоноватые. Общая минерализация в воде составила 32,2 (Хара-Нур) и 43,5 г/л (Шихалин-Нур).

Гидрохимическая характеристика исследованных озер, г/л

Таблица 2

Озеро	Минерализация, г/л	СО32-	НСО3-	SO42-	Cl-	Ca2+	Mg2+	Na+	K+
Шихалин-Нур	43,5	0,14	0,11	6,12	14,78	0,016	0,214	13,6	0,06
Хара-Нур	32,2	1,4	0,34	4,15	19,57	0,048	0,201	17,3	1,10

Донные осадки озер представлены преимущественно илами сине-черного цвета с запахом сероводорода, ближе к центральной части островками появлялись илы темно-серого цвета. Такую окраску илам придает коллоидный моносульфид железа — гидротроилит FeSnxH2O. Он окрашивает осадки в темно-серый цвет при содержании S сульфид>0,05 % и в черный — при 0,08 % и более [Chen, 2008]. На поверхности осадков в прибрежной части присутствовали микробные маты толщиной до 0,4 см (табл. 3).

Исследования разнообразия прокариот в микробных матах и донных осадках с использованием высокопроизводительного секвенирования гена 16S рРНК показывают, что в озерах Юго-Восточного Забайкалья наибольшую долю в бактериальном сообществе составляют представители филумов Actinobacteriota, Bacteroidota, Proteobacteria, субдоминантами являются Chloroflexi, Firmicutes. Цианобактериальный ряд представлен преимущественно родом Leptolyngbya , остальные роды Phormidium , Anabaena , Chroococcus , Pseudanabaena , Trichodesmium и другие немногочисленны [Сыренжапова и др., 2022; Абидуева и др., 2012; Сыренжапова, Норовсурэн, Абидуева, 2022].

Органическое вещество (Сорг) как источник питания для микроорганизмов влияет на распространение определенных групп бактерий-деструкторов. Концентрация органического вещества в поверхностном слое в осадках озер прибрежной его части составила 3,1 % (Шихалин-Нур) и 3,5 % (Хара-Нур), из них 40–50 % составляли целлюлоза, 25–30 % — углеводы. В центральной части водоемов значения содержания Сорг снижались практически 2 раза. Процентное содержание Сорг в илах озера Шихалин-Нур составляло 1,8 %, в озере Хара-Нур — 1,5 %. Возможно, это объясняется тем, что по мере отдаления от береговой зоны источник поступления органического вещества в виде растительного опада снижается.

Таблица 3

Озеро	Место отбора	Тип пробы	Горизонты, см	Описание пробы
Шихалин-Нур	Прибрежная зона	мат	0–0,1	Темно-зеленый, рыхлый
			0,1–0,2	Пурпурный
			0,2–0,3	Темно-серый с черными прослойками
		осадки	0,3–15,0	Сине-черный ил восстановленный с разрывами газа и остатками высшей растительности
			15,0–20,0	Серый маслянистый ил без остатков растительности
			20,0–30,0	Светло-коричневая глина с песком
	Центральная часть озера	осадки	0–10,0	Черный и темносерый ил маслянистой консистенции состатками растительности
			10,0–30,0	Серый ил с крупнозернистым песком
Хара-Нур	Прибрежная зона	мат	0–0,1	Темно-зеленый, рыхлый
			0,1–0,2	Пурпурный
			0,2–0,3	Светло-серый
			0,3–0,4	Черными с прослойками
		осадки	0,4–20,0	Темно-серый илистый песок с растительными остатками и солевыми прослойками
			20,0–30,0	Серый, без остатков растительности
	Центральная часть озера	осадки	0–10,0	Черный ил маслянистой консистенции с глиной с запахом сероводорода
			10,0–30,0	Коричневый ил с песком

Известно, что пространственное распределение озерных бактерий определяется разнообразием озерных биотопов и их изменчивостью во времени [Matyugina, Borzenko, 2021]. Общая численность микроорганизмов на момент исследования в прибрежной части озер составляла 23,7*109 кл/л (оз. Шихалин-Нур) и 33,4*109 кл/л (оз. Хара-Нур), в центральной части численность микроорганизмов была ниже и составляла 17,9*109 и 24,8*109 кл/л соответственно.

Биомасса бактерий в прибрежной и центральной части озер имела незначительные различия (табл. 4). При этом в озере Хара-Нур биомасса значительно превышала биомассу бактериальных тел озера Шихалин-Нур и достигала 1921,4 и 987,3 мг/л соответственно.

Повышение численности и биомассы бактерий в прибрежной части озер, возможно, объясняется хорошим перемешиванием водной массы озер, лучшей прогреваемостью воды и присутствием питательных элементов в этой зоне водоемов.

Таблица 4

Биологические характеристики в донных осадках исследованных озер

Озеро	Место отбора	Общая численность микроорганизмов, (х109 кл/мл)	Биомасса, мг/л	Хлорофилл а , мг/л
Шихалин-Нур	Прибрежная зона	23,7	987,3	10,8
	Центральная часть	17,9	961,2	-
Хара-Нур	Прибрежная зона	33,4	1921,4	15,4
	Центральная часть	24,8	1298,7	-

«-» — не определено.

По общему количеству бактерий можно в некоторой степени судить об интенсивности микробиологических процессов и о трофности водоема. Согласно полученным данным об общей численности микроорганизмов, изученные озера были классифицированы как эвтрофные (табл. 4).

Органическое вещество в содовых и соленых озерах подвергается его деструкции различными физиологическими группами микроорганизмов. При помощи аппликационного метода нами определена скорость разложения целлюлозы и белка в донных осадках (табл. 5).

Скорость разложения целлюлозы и белка в донных осадках озер аппликационным методом

Таблица 5

Озеро	Место отбора	С, % орг	Скорость разложения целлюлозы, % в сут.	Скорость разложения белка, % в сут.
Шихалин-Нур	Прибрежная зона	3,1	0,8	1,1
	Центральная часть	1,8	0,07	0,4
Хара-Нур	Прибрежная зона	3,5	0,9	1,8
	Центральная часть	1,5	0,1	0,6

Доминирующим процессом терминальной деструкции органического вещества является сульфатредукция. Доля серы в зоо- и микробной биомассе достигает 1,5 %, из которых 80 % приходится на органическую серу [Неретин и др., 1996]. Несмотря на относительно низкое содержание элементной серы в водоемах, значение последней в природных процессах превращения серы велико [Борзенко, Замана, 2011]. Мощность сероводородных илов на момент исследования составляла в прибрежной части озера Шихалин-Нур 0,75 см, Хара-Нур — 0,3 см, что в целом согласуется с ранее проведенными исследованиями [Борзенко, 2018]. Незначительное увеличение глубины, вероятно, связано с усыханием озер и уменьшением его водной площади.

Восстановление сульфатов активно идет как в донных отложениях, так и в водной толще воды. По результатам наших исследований концентрация сульфатов в воде озер составляла 6,12 г/л (оз. Шихалин-Нур) и 4,15 г/л (оз. Хара-Нур) (табл. 2). В донных осадках сульфидной серы ранее было зафиксировано 397 мг/100 г (оз. Шихалин-Нур) и 160 мг/100 г (оз. Хара-Нур). Относительно высокое содержание сульфидной серы наблюдалось в озерах с более мощными илистыми отложениями [Борзенко, 2018]. Из исследованных нами озер восстановление сульфатов, судя по сильному запаху сероводорода и наличию отложений черной илистой грязи, наиболее выражено в озере Шихалин-Нур.

Заключение

Таким образом, исследованные нами озера характеризуются небольшой глубиной, щелочной реакцией среды, восстановительной обстановкой (низким содержанием кислорода, окислительно-восстановительным потенциалом). В прибрежной части озер обнаружены микробные маты, толщина которых достигала до 0,5 см с ярко выраженной слоистостью. Озера по минерализации воды классифицируются как солоноватые. Основными компонентами минерализации воды являются натриевые и хлоридно - сульфатные ионы, а также катионы магния. Озера классифицируются как эвтрофные.

Наличие мощного донного илистого отложения, ярко выраженного сероводородного запаха, высокой концентрации сульфатов в воде и серосодержащих элементов в осадках озер указывает на интенсивный процесс сульфатредукции.

Полученные результаты по общей численности микроорганизмов, биомассе, концентрации фотосинтезирующих пигментов хлорофилла а , содержанию С_о рг , скорости разложения белка и целлюлозы указывают, что активные процессы продукции и деструкции органического вещества идут в прибрежной части озер, где созданы наиболее благоприятные условия для функционирования микробных сообществ.