Восстановление Fe3+ накопительными культурами из донных отложений содовых озер Забайкалья

Microbial processes of iron reduction can proceed in alkaline environments (bottom sediments of soda lakes). This purpose prove to be true by a high abundance ofFe3' - reduction bacteria in the sediments and reduction of amorphous Fe3' by enrichment cultures from bottom samples of Transbaikalia soda lakes.

Железоредукция представляет собой один из наиболее энергетически выгодных процессов, в ходе которого бактерии способны осуществлять полную деструкцию органического вещества (Заварзина, 2001). Микроорганизмы, способные диссимиляционно восстанавливать Fe3*, т.е. использовать различные соединения окисного железа в качестве единственных или вспомогательных акцепторов электронов в процессах энергетического метаболизма, широко представлены в морских и пресных донных осадках, разнообразной термальной окружающей среде, включая горячие источники, гидротермы, а также в затопленных почвах (Lovley,1991). Эти бактерии участвуют в круговороте железа, углерода и других химических элементов в природе.

Железоредукторы представляют интерес и с биотехнологической точки зрения, так как для нескольких представителей этой физиологической группы микроорганизмов показана способность к восстановлению токсичных металлов и радионуклидов. Несмотря на то, что анаэробный цикл и процессы железоредукции - одна из наиболее интенсивно разрабатываемых в настоящее время областей микробиологии и биогеохимии, данные о распространении и выделении железо-восстанавливающих бактерий из щелочной окружающей среды, в том числе и из содовых озер мира, практически отсутствуют.

Цель настоящей работы - выявление микробного процесса восстановления железа в условиях содовых озер и накопительными культурами, полученными из проб донных осадков содовых озер Забайкалья.

Объекты «методы

Выявлеш. з микробного восстановления Fe3+ проводили в пробах донных осадков содовых озер Бурятии - Соленом, Белом, Нухэ-Нур, Алгинском и озер Агинского Бурятского автономного округа - Хилганте и Горбунке. Отбор проб донных отложений проводили в стерильные флаконы. Физико-химические параметры озер определяли стандартными методами. В полевых условиях для определения температуры использовали сенсорный термометр Prima (Сингапур), pH - портативный pH-метр (рНер2, Португалия) и кондуктометр TDS-4 (Сингапур) для определения минерализации. Концентрации карбонатов, гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов определены общепринятыми методами (Алекин, 1973) (табл.1).

Учет численности железоредуцирующих бактерий в природных пробах проводили методом предельных десятикратных разведений на жидкой бессульфатной минеральной среде без дополнительных восстановителей (Заварзин и др., 1996), содержащей 90 мМ аморфного Fe " и смесь возможных доноров электронов - пептона, сахарозы, лактата в суммарной концентрации 5%. pH среды доводили карбонат- бикарбонатным буфером в соответствии с pH озер.

Работа выполнена при поддержке грантов Президиума РАИ «Происхождение и эволюция биосферы». Президиума СО РАН Ns 24, УрО и СО РАН «Микробные сообщества экстремальных экосистем» и Минобразования науки РНП. 2.1.1.4566.

Таблица 1

Физико-химическая характеристика содовых озер, мг/ дм3

Объект	pH	М, г/л	сг	SO/’	нсо3-	со/-	S-"
Соленое	9.9	5.6	199,72	376,56	2171,60	720	3,78	0,0032
Нухэ-Нур	9.84	5.7	137,7	575.92	4758	3900	1,22	0,0023
Алгинское	8.68	50.0	34,43	25694	3050	3000	Н.О.	0,0006
Белое	8.7	1.8-2.6	335,5- 1076	477,75- 520,63	106,7- 762,5	54,0-180,0	н,о.	НО,
Хилганта1	9.5	40.0	16700	13600	11600	330	Н,0	н*о
Горбунка	8.7	41.3-8.4	3.56*	6424	0.92*	0.42*	н*о

Примечание: - в момент отбора проб озеро пересохло, приведены данные за 1996 г.

*- приведены данные за 1996 г.

Среду перед посевом кипятили для удаления растворенного кислорода. Посевы проводили во флаконы, наполненные средой до верху. Инкубировали посевы при 30°С. Параллельно ставили химический контроль. О восстановлении железа судили по появлению синего окрашивания или осадка феррицианида железа (3) в реакции с красной кровяной солью (Шапиро, Шапиро, 1971). Количественное определение ионов Fe1+ и Fe2+ проводили роданидным методом (Резников, Мулиновская, Соколов, 1970).

Результаты и обсуждение

Пробы донных отложений озер Хилганта, Горбунка, Соленое, Белое, Нухэ-Нур и Алгинское, отобранные в полевой период 2005-2006 гг были засеяны методом десятикратных разведений. Через две недели инкубирования в исследуемых пробах наблюдалось развитие железоредуцирующих бактерий, сопровождающееся восстановлением осадка аморфного Fe3+,

Численность железовосстанавливающих бактерий в донных осадках исследуемых озер варьировала в значительных пределах (табл.2). Наибольшая численность отмечена в осадках озера Хилганта - 10 млн. кл/см3, наименьшая - выявлена в осадках оз. Алгинское (1000 кл/см).

Из последних разведений, где обнаруживали ионы Fe2+, в результате последовательных трехкратных пересевов были получены накопительные культуры железо-восстанавливающих бактерий. Микроскопические исследования выявили в них палочки, отличающиеся размером, подвижностью и спорообразованием, одиночные или объединенные в цепочки. Часто клетки были агрегированы с осадком железа. Споровые клетки в большом количестве присутствовали в накопительных культурах озер Соленое, Горбунка и Хилганта. Для проверки возможного их участия в процессе восстановления железа засеянные флаконы прогревали при температуре 80°С в течение 10 минут для удаления вегетативных клеток. Инкубирование прогретых (споровых) и непрогретых (первичных) накопительных культур в течение месяца выявило наличие процесса железоредукции, подтвержденное качественной реакцией и количественным определением ионов Fe"+ (табл.З).

Таблица 2

Численность железовосстанавливающих бактерий в донных осадках содово-соленых озер Забайкалья

Озеро	Численность, тыс. кл/см’
	2005 г	2006 г
Хилганта, осадки Хилганта, мат Хилганта, соль/ил	10000	100 10000
Нухэ-Нур	too	-
Белое	100	-
Соленое	1000	-
Горбунка	1000	1000
Алгинское	•	1

Примечание: «-»- не определено

Восстановление железа активно протекало при внесении в среду пептона - высокое процентное содержание Fe2" было отмечено для споровых культур озер Нухэ-Нур, Соленое, Хилганта. Немного слабее восстанавливали железо первичные накопительные культуры озер Соле- ное и Хилганта. Накопительная культура оз. Нухэ-Нур восстанавливала аморфное железо до 100% (табл.3, рис.1).

Невысокие значения восстановленного железа выявлено в накопительных культурах, выращенных на среде с сахарозой. Так, споровые культуры из озера Белое восстанавливали железо только на 9%. В то же время на среде с лактатом споровая культура оз. Белое за 1 месяц восстанавливала до 91% аморфного железа. По-видимому, разница в восстановлении аморфного железа споровыми и первичными накопительными культурами на средах с различными донорами электронов и источниками углерода вызвана разнообразием бактерий, участвующих в этом процессе и использующих преимущественно тот или иной донор.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что в щелочных условиях содовых озер Забайкалья численность микроорганизмов, способных к железоредукции, достаточно высока. Показана активная роль спорообразующих бактерий в восстановлении железа. Полученные накопительные культуры железоредукторов активно осуществляли процесс микробного восстановления железа со всеми вышеуказанными донорами электронов.

. Таблица 3

Количество восстановленного железа в первичных и споровых накопительных культурах зожелевосстанавливающих бактерий (в % от общего содержания железа)

пептон сахароза Лактат споровые первичные споровые первичные споровые первичные Белое 5 82 9 32 91 1 Хилганта 70 67 24 н,о. 32 0 Горбунка 17 31 НО. 47 Н.О. 18 Соленое 82 64 н.о. 92 19 56 Нухэ-Нур 79 100 н.о. Н.О. 33 6 к.о. - не определено

Рис. I. Количество Fez+ в первичных и споровых накопительных культурах железо-восстанавливающих бактерий с использованием пептона в качестве донора электронов,