Гидрохимическая характеристика местообитаний аэробных термофильных бактерий и их численность Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

3. Геохимическая деятельность микроорганизмов гидротерм Байкальской рифтовой зоны / Б.Б. Намсараев, Д.Д. Бархутова, В.В. Хахинов и др. - Новосибирск: Гео, 2011. - 302 с.

4. Практикум по микробиологии / под ред. Н.С. Егорова. - М.: Изд-во МГУ, 1976. - 153 с.

5. Практикум по микробиологии / под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Академия, 2005. - 608 с.

6. Методы общей бактериологии / под ред. Ф. Герхарда и др. - М.: Мир, 1984. - Т.2 - 327 с.

Кашкак Елена Сергеевна, аспирант, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, [email protected]

Данилова Эржена Викторовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой,

6, т. 8(3012)434902

Kashkak Elena Sergeevna, postgraduate, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a.

Danilova Erzhena Victorovna, candidate of biological sciences, senior researcher, Institute of General and Experimental Biology SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6

УДК 577.472(571.5) © О.В. Шаргаева, Е.С. Кашкак, Д.Д. Бархутова

ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТООБИТАНИЙ АЭРОБНЫХ ТЕРМОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ И ИХ ЧИСЛЕННОСТЬ

Работа выполнена при поддержке интеграционных грантов СО РАН№56 и 94, РФФИ 10-04-01185а

В термальных источниках на территории Бурятии и Монголии изучены физико-химические параметры в местах отбора проб для микробиологических исследований. Они характеризуются высокими температурами, щелочными значениями рН и содержат сероводород в форме сульфидных ионов. В микробных матах и илах гидротерм определена численность термофильных аэробных органотрофных бактерий.

Ключевые слова: термальные источники, термофильные аэробные органотрофные бактерии.

O.V. Shargaevа, E.S. Kashkak, D.D. Barkhutova

THE HYDROCHEMICAL CHARACTERISTICS OF AEROBIC THERMOPHYLLIC BACTERIA

HABITATS AND THEIR AMOUNT

In thermal springs of Buryatia and Mongolia physical and chemical parameters in places of sampling for microbiological researches have been studied. They are characterized by high temperatures, alkaline values of рН and contain hydrogen sulfide in the form of sulphidic ions. In microbial mats and sediments of hot springs the amounts of ther-mophyllic aerobic organotrophic bacteria are defined.

Keywords: thermal springs, thermophyllic aerobic organotrophic bacteria.

Естественными местообитаниями термофильных микроорганизмов в условиях современной биосферы являются горячие источники, глубоководные гидротермы, высокотемпературная подземная биосфера, а также экосистемы, связанные с деятельностью человека (компосты, угольные отвалы, метантенки) [1]. В формировании минеральных вод гидротерм важное значение имеет циркуляция воды, поступающая с поверхности. Взаимодействие термальных вод приводит к выщелачиванию вмещающих пород и насыщению их сопутствующими газами и веществами [2]. Г лубинные воды поступают в вышележащие горизонты, где в той или иной степени смешиваются с грунтовыми водами. Состав и температура термальных вод при выходе их на поверхность определяются при их смешивании с грунтовыми водами. Сочетание нескольких экстремальных факторов в условиях щелочных гидротерм обуславливает присутствие в микробных сообществах бактерий способных переносить как высокую температуру, так и высокие значения рН среды. Температура оказывает наибольшее влияние на видовое разнообразие микробных сообществ горячих источников [3]. Существуют различные классификации микроорганизмов по отношению к температуре [4].

Как правило, к термофилам относятся микроорганизмы, имеющие температурный оптимум развития при 55°С и выше. Одновременно с первичной продукцией в микробном сообществе идет деструкция органического вещества (ОВ), осуществляемая различными функциональными группами микроорганизмов. Деструкция обусловлена целой цепью превращений, организованной таким обра-

зом, что продукты одного этапа служат питательным субстратом для организмов, осуществляющих следующий этап [2]. На первых этапах разложения полимеров основная роль принадлежит аэробным бактериям, осуществляющим гидролиз [4]. Аэробные органотрофы функционируют в микробном сообществе, где наблюдается изобилие ОВ и синтезируется кислород. Их развитие лимитируется двумя факторами: доступным Сорг и притоком О2 [5]. При достаточно высокой концентрации доступной органики создается дефицит О2 и процесс аэробного разложения прямо зависит от его поступления. Аэробные органотрофы очень разнообразны и представляют группу, привлекшую больше всего внимания на уровне чистых культур [4].

Цель работы - изучение физико-химических условий среды обитания и определение численности термофильных бактерий в матах и илах горячих источниках Бурятии и Монголии.

Объекты и методы исследования Г идрохимические и микробиологические исследования проведены в 4 горячих источниках Алла, Сея, Умхей, Кучигер (Курумканский район, Бурятия) и гидротерме Цэнхэр (Монголия). Пробы для проведения исследований были отобраны в летние периоды 2011 г.

Физико-химические показатели воды измеряли in situ с помощью портативных приборов: кислотность среды (рН) - потенциометрическим рН-метром рНер2 (Португалия), кислород определяли при помощи портативного оксиметра OXI. Для определения сульфидных ионов пробы были зафиксированы ацетатом кадмия. Концентрацию сульфида определяли в лабораторных условиях колориметрически с пара-фенилендиамином на спектрофотометре Сесил (Г ермания) [7].

Учет численности жизнеспособных клеток микроорганизмов проводили методом предельных разведений на элективных средах. Среды предварительно стерилизовали при 1200С в течение 20 мин. Культивирование термофильных бактерий проводили на жидкой модифицированной среде Пфеннига для бактерий Meiothermus rubber следующего состава (г/л):

КН2РО4 0,5

NH4C1 0,5

MgSO^^O 0,5

KCl 0,5

NaCl 0,5

CaCl2-2H2O 0,05

NHCO3 0,5

Дрожжевой экстракт 0,1

Na2$2O3-5H2O 1,0

Раствор микроэлементов по Пфеннигу 1 мл

Витамин B12 1 мл

Аэробные микроорганизмы культивировали при температуре 55 °С в пробирках, заполненных на одну треть средой, закрытых ватными пробками. Рост термофильных бактерий учитывали визуально по помутнению среды и образованию бактериальной пленки [5].

Результаты и обсуждения Исследования физико-химических параметров воды и донных осадков горячих источников дают представление о среде обитания микроорганизмов. В данных источниках были определены температура воды, значения рН, содержание кислорода и сероводорода. Наиболее значимым показателем для гидротерм является температура воды. Температура при выходе на поверхность термальных источников изменялась в широких пределах (табл. 1).

Наиболее горячими на выходе были воды гидротерм Алла Т.5, Цэнхэр, Сея Т1. Значения pH варьировали от 8,5 до 10,5. Более щелочные значения рН зарегистрированы в гидротермах Цэнхэр, Алла Т6, Кучигер Т1 и Умхей Т1. Слабощелочная реакция отмечена в гидротерме Сея Т4 и Кучигер Т3. Следует отметить, что для термальных вод на исследуемых станциях характерны низкие концентрации кислорода. Содержание кислорода варьировало от 0,2 до 2 мг/л.

Минеральная вода исследуемых гидротерм является сероводородной. Высоким содержанием сероводорода отличались гидротермы Алла Т2, Алла Т5 и Кучигер Т1. Более низкие концентрации сероводорода были определены в гидротермах Сея на станциях Т3 и Т4 по ручью.

Таблица 1

Физико-химическая характеристика исследуемых гидротерм

Источники Станции Описание Т оС pH О2, мг/л С ф2-), мг/л

Алла (21.09.11) Т1 Нити МеюШегтш 40 9,3 1,9 60,8

Т1 Край мата 45 9,3 - -

Т1 Ил из под мата 57,3 9,3 - -

Т2 Тяжи болота 65,6 9,3 - 84,8

Т2 Ил с остатками змеи 67 9,3 - -

Т2 песок 65 9,3 - -

Т3 Белые обрастания ТЫоШпх 21 9,1 1,4 18,5

Т3 мат Oschillochloris 21 9,1 - -

Т3 Ил из под мата 21 9,1 - -

Т4 Розовый мат 35 9,6 2,0 27

Т4 Ил из под мата 35 9,6 - -

Т5 Вода (выход) 74,6 9,1 - 83,3

Т6 Мат (ручей) 32 10 - -

Кучигер (22.09.11) Т1 Ил (грифон) 41,8 10,0 - 64

Т2 Пурпурный мат (колодец) 24,1 9,8 - 35,5

Т3 Изумрудный мат 34 8,9-9,0 - -

Т3 Ил из под мата 34 8,9 - -

Т4 Ил (ручей) 30,6 9,3 - 46,7

Т5 Пурпурный мат 35 2 - 50,9

Т5 Ил из под мата 35 2 - -

Умхей (23.09.11) Т1 Белые нити ТЫоШпх 31,4 9,8 0,5 -

Т2 Рыжий мат 42,6 9,1 0,9 16,3

Т2 Ил из под рыжего мата 42,6 9,1 - -

Т2 Бело-зеленый мат 38,3 9,6 0,7 -

Т2 Ил из под бело-зеленого мата 38,3 9,6 - -

Т3 Ил (выход у уреза р. Баргузин) 20,5 9,5 0,2 9,7

Сея (24.09.11) Т1 Ил (Выход в озеро) 53 9,7 - 28,2

Т2 Белые обрастания 32 9,6 - 14

Т2 Белый налет 52,5 9,6 - 29,3

Т2 Нижний слой мата 52,5 9,6 - -

Т2 Изумрудный мат 52,5 9,6 - -

Т3 Ручей 50 9,7 - 8,3

Т4 Ручей (разлив) 44 8,7 - 9,1

Т4 Ил 35 8,7 - -

Т4 Изумрудный мат 35 8,5 - -

Т5 Пурпурный мат 35 8,5 - -

Цэнхэр (10.09.11) мат 45 10,5 - -

вода 56 10,5 - -

«-» - нет данных

Численность термофильных бактерий гидротерм Баргузинской котловины

В белых обрастаниях, матах и илах была определена общая численность термофильных органо-трофных микроорганизмов. Численность микроорганизмов в илах источников была ниже, в микробных матах - несколько выше (рис.). В белых обрастаниях и илах горячих источников численность микроорганизмов варьировала от 102 до 104 кл/мл., в матах от 102 до 105 кл/мл. В мате источника Цэнхэр численность микроорганизмов достигала 105 кл/мл, а в воде 104 кл/мл.

Алла

Lg численности

5-----------

4 3 2 1 0

□ белые обрастания

□ мат

□ ил

□ вода

□ песок

т1 т2 т3 т4 т5 т6

Умхей

6

Lg ЧИ

4

3

2

1

0

□ белые обрастания

□ мат

□ ил

Lg ИСл

Lg Численности

4

Кучигер

Сея

□ белые обрастания

□ мат

□ ил

□ ручей

Рис. Численность аэробных термофильных бактерий в гидротермах

6

4

3

2

0

6

Полученные результаты показывают, что максимальные численности термофильных аэробных органотрофных бактерий отмечены, в основном, в микробных матах. Выявлено также, что на активность микроорганизмов оказывает влияние физико-химические условия источников, такие как. содержание, сероводорода и высокая температура.

Литература

1. Бонч-Осмоловская Е.А. Термофильные микроорганизмы: общий взгляд // Труды Ин-та микробиологии им. С.Н. Виноградского. - М.: МАКС Пресс, 2011. - С. 5-14.

2. Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. - М.: Наука, 1984. - 199 с.

3. Brock T.D. Thermophilic microorganisms and life at high temperatures. - NY: Springer-Verlag, 1978. - 465 р

4. Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природоведческую микробиологию: учеб. пособие. - М.: Университет, 2001. - 256 с.

5. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. - М.: Наука, 2003. - С. 67-102.

6. Намсараев З.Б., Горленко В.М., Намсараев Б.Б., Бархутова Д.Д. Микробные сообщества щелочных гид-

ротерм. - Новосибирск: изд-во СО РАН, 2006. - 108 с.

7. Truper H.G., Schlegel H.G. Sulphur metabolism in Thiorhodaceae. I. Quantative measurements on growing cells of Chromatium okenii // J. Microbiol. а^ Serol. - 1964. - V.30, №3. - P. 225-238

Шаргаева Олеся Валерьевна, аспирант, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а.

Кашкак Елена Сергеевна, аспирант, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, [email protected]

Бархутова Дарима Дондоковна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН. 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой,

6, [email protected].

Shargaeva Olesya Valerevna, postgraduate, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a.

Kashkak Elena Sergeevna, postgraduate, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a.

Barkhutova Darima Dondokovna, candidate of biological sciences, senior researcher, Institute of General and Experimental Biology SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 6