Гидрохимические и физико-химические условия среды обитания микроорганизмов в гидротермах Забайкалья

Азотные слабоминерализованные щелочные термы представляют собой крупную группу минеральных вод. Большие области Центральной Азии, Индии, Восточной Сибири, Восточной Африки, Южной Африки, Южной Америки, запада США, Европы, западные и восточные районы Исландии относятся к провинции щелочных азотных термальных вод. Типичным примером азотных термальных вод могут служить воды гидротерм Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), ставшие объектами нашего исследования. Физико-химические параметры щелочных термальных вод имеют ряд особенностей: щелочность обусловлена не ионами карбонатной системы, а силикатными и даже боратными ионами; в водах более активно мигрируют анионогенные элементы, тогда как катионогенные элементы часто образуют слаборастворимые соединения; окисление переменно валентных элементов происходит с большей скоростью [6]. Все эти факторы в сочетании с комбинированным воздействием высокого рН и температуры создают особые условия для существования экстремофильных микроорганизмов.

Гидрохимические данные свидетельствуют об инфильтрационном происхождении гидротерм БРЗ [2, 4, 6]. Гидротермы формируются в восстановительной обстановке вне зависимости от влияния магматических процессов, что отличает гидротермы региона от гидротерм областей активного вулканизма [5]. Даже по данным тех авторов, которые допускают существование в гидротермах БРЗ маг-матогенных вод, доля последних не превышает нескольких процентов [7].

Целью данной работы являлось изучение физико-химических условий и химического состава нативных проб на развитие микробного сообщества термальных водных систем Забайкалья.

Объекты и методы исследования

Распространение, структура микробного сообщества, а также активность различных групп микроорганизмов сообщества зависят от физико-химических условий среды обитания. В местах отбора исследованных водных экосистемах были определены температура, реакция среды (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Еh), общая минерализация, изучен ионный состав воды. Фиксацию проб для химических и микробиологических определений проводили сразу после отбора проб. Содержания карбонатов, гидрокарбонатов, хлоридов, катионов кальция определяли титрованием [1].

Содержание органического углерода (С орг ) в пробах определяли по методу Тюрина в модификации Никитина [1]. Определение содержания белка проводили по методу Лоури [7]. Оптическую плотность измеряли на фотоэлектроколориметре КФК-20 (Россия) и спектрофотометре CECIL-1021 (Великобритания). Для определения содержания зольных элементов пробы сжигали в печи при температуре 550ºС [1].

Объектами исследования являлись горячие источники Алла, Гарга, Горячинск, Гусиха, Сеюя, Умхэй, Уро, расположенные в Курумканском, Баргузинском и Прибайкальских районах республики Бурятия. Для исследования термальных источников были отобраны пробы воды, донных осадков и микробных матов в летне-осенний период с 2008 по 2010 гг.

Результаты исследования и обсуждение

Температура воды при выходе на поверхность термальных источников изменялась в широких пределах (табл. 1). Наиболее горячими на выходе были воды гидротерм Алла, Гарга, Гусиха и Уро. Значения pH варьировали от 8,20 до 9,77. Высокие значения рН зарегистрированы в воде гидротерм Сеюя, Умхей и Горячинск. Слабощелочная реакция отмечена в источниках Гарга и Гусиха. Наибольшей минерализацией характеризуется источник Гарга. Несколько меньшую минерализацию имеет Горячинск, за ним, в порядке убывания минерализации, следуют имеющие близкую минерализацию источники Гусиха, Умхэй. По молярному соотношению наибольшей концентрацией главных ионов также обладает вода источника Гарга.

А.А. Раднагуруева, Е.В. Лаврентьева, Б.Б. Намсараев. Гидрохимические и физико-химические условия среды обитания микроорганизмов в гидротермах Забайкалья

Таблица 1

Местоположение и физико-химическая характеристика гидротерм

Источник	Местоположение	Т, 0С	pH	М, г/дм3	H 2 S, мг/дм3
Алла	Курумканский район	70	8,9-9,5	0,15-0,36	16,5
Умхей	Курумканский район	39-40	9,64-9,68	0,210-0,415	31,0
Гарга	Курумканский район	74	8,5	0,67	<0,1
Сеюя	Курумканский район	50	9,30-9,77	0,29-0,30	1,8
Гусиха	Баргузинский район	72	8,2-8,3	0,47-0,48	<0,1
Уро	Баргузинский район	69,1	8,8-9,2	0,17-0,26	<0,1
Горячинск	Прибайкальский р-н	46-52,3	9,28-9,41	0,53	5,9

Характерной особенностью термальных источников является повышенное содержание кремне-кислоты (до 120 мг/дм3) и фтора (до 40 мг/дм3). Большинство исследователей считает происхождение воды азотных терм инфильтрационным, объясняя все особенности химического, газового и микро-компонентного составов выщелачиванием водовмещающих пород. Высокое содержание в источниках щелочных металлов, натрий из всех катионов часто дает определяющий вклад в формирование минерализации. Наибольшей концентрацией натрия характеризуется источник Гарга (287,2 мг/дм3). В целом высокие содержания натрия в пределах Баргузинской долины характерны для источников, разгружающихся в ее юго-восточной части, в пределах отрогов Икатского хребта. Количество кальция варьирует от 1,6 до 14 мг/дм3, максимальная концентрация обнаружена в источнике Гусиха.

Содержание сульфат-иона в водах изменяется в широких пределах и повышается с ростом минерализации вод. Абсолютное преобладание сульфата установлено в источниках, приуроченных к массивам пород гранитного ряда, и распространены они, в основном, в отрогах Икатского хребта. Концентрация гидрокарбоната колеблется от 73,2 до 130,5 мг/дм3. Собственно гидрокарбонатные воды немногочисленны. В большинстве случаев источники имеют смешанный гидрокарбонатно-сульфатный или сульфатно-гидрокарбонатный состав и характеризуются широкими пределами колебаний содержания сульфатов и гидрокарбонатов.

Важным фактором для функционирования микробного сообщества является количественный и качественный состав органического вещества. В природных образцах микробных матов и донных осадков исследованных источников было проведено определение углерода органического, белка, изотопного состава углерода органического вещества (ОВ) (табл. 2). Микробные маты термальных источников характеризовались высоким содержанием С орг , достигавшим 6,03%. Максимальное количество С орг отмечено в поверхностном мате источника Сеюя. Содержание органического углерода в донных отложениях исследованных гидротерм изменяется в пределах от 0,27 до 0,46%. Пониженные концентрации С орг выявлены в источниках, выходящих непосредственно из трещин в породах, при отсутствии в месте выхода почвенного слоя и заболоченностей. Так, наименьшее содержание органического вещества (0,27%) определено в микробном мате источника Гарга при температуре 61^оС. Место отбора характеризуется отсутствием илового слоя. Циано-бактериальные обрастания образуются на травертиновом поле.

Содержание белка в микробных матах и донных осадках термальных источников варьировало от 1,1 до 4,36 мг/см3. Наибольшее количество белка определено в составе мата источников Умхей и Гар-га. Наименьшее содержание белка отмечено в микробном мате источника Гарга (35оС) и в донных осадках источника Горячинск (1,1 мг/см3). Количество зольных элементов в матах в среднем составило 60,8-92,7%. Наименьшее количество золы отмечено в матах, развивающихся в источнике Гарга (60,8%), при температуре 35оС. Максимальное количество зольных элементов определено в мате гидротермы Умхей (92,7%). Исследованные донные осадки источников Умхей и Горячинск характеризовались высоким содержанием золы. Высокие значения зольности свидетельствуют о накоплении в донных осадках неорганических соединений.

Изотопный состав углерода органического вещества микробных матов и донных осадков щелочных гидротерм варьировал от -8,27‰ до -30,70‰. Максимальное и минимальное значение углерода органического вещества выявлено в термальных источника Сеюя и Горячинск.

Характеристика проб

Таблица 2

Источник Вид пробы Т,oC рН Зола, % Белок, мг/см3 С орг, % Содержание углерода ОВ, % на минеральную часть навески 13С ОВ, ‰ Горячинск д.о. 52 9,3 98,7 1,1 0,3 4,41 -28,19 д.ос. 46 9,28 н.о 2,74 0,42 20,83 -27,9 мат 52,3 9,3 н.о 2,15 2,0 97,29 -30,70 Гарга мат 61 8,5 85,6 3,44 0,27 н.о -8,27 мат 35 8,2 60,8 1,21 5,57 1362,85 -22,69 Сеюя мат 50 9,77 н.о 2,96 6,03 2711,76 -27,73 Умхэй мат 40 9,64 92,7 4,36 1,61 36,16 -22,89 д.ос. 40 9,64 98,1 2,02 0,46 19,65 -25,44 н.о – не определено, д.о. – донные осадки

Таким образом, изучение химического состава нативных проб термальных источников показало, что исследованные гидротермы характеризовались достаточно высоким содержанием органического углерода. Сравнительный анализ содержания С орг в матах и донных осадках термальных источников показал, что процессы образования ОВ более интенсивно протекали в микробных матах. В микробных матах источников количество органического углерода достигало 0,27-6,03%, тогда как в донных осадках среднее содержание С орг составляло 0,3-0,46%.

Сравнительный анализ многолетних исследований показал, что основные факторы среды, такие как температура, рН и минерализация, остаются относительно постоянными в изученных гидротермах и являются благоприятными условиями для существования и развития экстремофильных микроорганизмов.