CC BY
76
Шеховцова Н.В., Верховцева Н.В.
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Е-mail: [email protected]
ЖЕЛЕЗОРЕДУЦИРУЮЩИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ В СВЕРХГЛУБОКИХ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ПОРОДАХ
Впервые в породах Уральской сверхглубокой скважины (СГ-4) изучены железоредуцирующие бактерии (ЖРБ) наряду с микроорганизмами циклов серы и углерода. Показано широкое распространение жРб и их возможное участие в биогенном образовании магнитных минералов, среди которых в породах СГ-4 чаще встречается магнетит. Подтверждено постоянное присутствие сульфатредуцирующих бактерий, открыты тионовые бактерии.
Ключевые слова: сверхглубокие скважины, породы, магнитные свойства железоредуцирующие бактерии, цикл серы, гетеротрофные микроорганизмы.
Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) являются той группой микроорганизмов, благодаря которой было обращено внимание на биологические процессы в подземной среде в конце 20-х гг. прошлого века. С тех пор на них постоянно обращают внимание при исследовании так называемой «подземной биосферы». Железоредуцирующие бактерии (ЖРБ) гораздо реже вызывают интерес, хотя часто находятся в конкурентных отношениях с СРБ и могут влиять на физико-химические свойства подземных вод и пород. Так в подземных водах вулканического происхождения Финляндии и Швеции в интервале глубин 68 -1240 м были обнаружены как сульфат-, так и железоредуцирующие микроорганизмы в концентрации 100 - 104 кл/мл, соотношение между которыми в разных горизонтах имело обратно пропорциональную зависимость [1]. На примере кристаллических пород, вскрытых Воротиловской глубокой научной скважиной (ВГС), была показана потенциальная способность ЖРБ к биогенезу магнитных минералов, которые придавали породам повышенный магнетизм [2].
Цель настоящей работы - выявить железовосстанавливающие и сопутствующие микроорганизмы циклов серы и углерода в туффитах, вскрытых Уральской сверхглубокой скважиной (СГ-4) в связи с закономерным повышением намагниченности насыщения этих вулканических пород в интервале глубин от 1559 до 4125 м.
Объектом исследования служил обломочный материал туффитов, изъятый из разреза СГ-4 с глубин 1559, 3976 и 4125 м и предоставленный ФГУП НПЦ «Недра» (Ярославль). Перед микробиологическим анализом поверхность проб пород стерилизовали и растирали до порошкообразного состояния по ранее разработанной методике [2]. Накопительные культуры ЖРБ выращивали на среде Лавли со свежеосажденным гидроксидом Рв(Ш) в качестве источника железа и разными источниками углерода (ацетатом или лактатом) в
анаэробных условиях (под резиновыми пробками) при 60оС в течение четырех недель [3]. О росте микроорганизмов судили по помутнению среды. Протекание железоредукции регистрировали по появлению розового окрашивания в реакции с ортофенантролином [4]. В сопутствующий микробный комплекс были включены микроорганизмы цикла серы, среди которых особое внимание было обращено на сульфатредукторов как конкурентов железовосстанавливающих микроорганизмов, а также гетеротрофные бактерии для подтверждения наличия доступного для микроорганизмов органического вещества и возможности протекания биологических процессов in situ. Для изолирования микроорганизмов в соответствии с представлениями о гидробиохимической зональности подземной среды [5] в смешанной зоне (1559 м) были выбраны тионовые и аэробные гетеротрофные бактерии с окислительным типом метаболизма, а в анаэробной зоне (3976, 4125 м) -гетеротрофы, осуществляющие брожение, суль-фатредуцирующие (СРБ) и железоредуцирующие (ЖРБ) бактерии. Численности микроорганизмов соответствующих физиологических групп оценивали методом определения наиболее вероятного числа по результатам посева на стандартные селективные среды из десятикратных предельных разведений [6]. Сопряженность процессов восстановления железа и биогенеза магнитоупорядоченных соединений оценивали на основании сравнения магнетизма пород и биоосадка накопительных культур ЖРБ. Для этого сконцентрированный на дне пробирок осадок, включающий микроорганизмы, отделяли и высушивали при комнатной температуре. Намагниченность насыщения (s) определяли на магнитных весах методом Фарадея [7].
Результаты оценки численности микроорганизмов соответствующих физиологических групп (таблица 1) подтверждают существование гидробиохимической зональности по стволу СГ-4 осо-
Проблемы экологии Южного Урала
бенно наглядно в случае распределения анаэробных гетеротрофов. Численность аэробных гетеротрофных бактерий (103 кл/г породы) находится в пределах той, которая ранее была обнаружена в породах вулканического происхождения (туфах), изъятых с глубины 400 м в штате Невада США (102 - 105 КОЕ/г породы) [8].
Одновременное присутствие тионовых и сульфатредуцирующих бактерий подтверждает наличие смешанных условий в разрезе СГ-4 на глубине 1559 м.
Тионовые бактерии в этих породах обнаружены впервые. По данным Оборина и др. [9], в туффитах иных интервалов глубин (3621 - 3626, 4438 - 4503, 4986 - 4992 и 5088 - 5094 м) разреза Уральской сверхглубокой скважины СРБ и мета-ногены являются наиболее постоянными членами микробиоты, которые мирно сосуществуют друг с другом. Исключение составляет горизонт 4467 -4503 м, где конкуренцию за водород выигрывают метанобразующие и водородокисляющие микроорганизмы. Определенная нами (таблица 1) численность СРБ (100 - 102 кл/г породы) согласуется с установленной ранее (0 - 102 кл/г породы), а ее уменьшение на глубинах 3976 и 4125 м соответствует пониженной численности СРБ (101 кл/г породы) в близлежащем слое 4439 м [9]. В изученных нами горизонтах (табл. 1) ЖРБ наиболее обильны на глубинах 1559 и 4125 м, где их численность максимальна и достигает 102 кл/г породы.
Определение магнитных свойств туффитов (таблица 2) показывает, что их намагниченность насыщения 8нас (г10-3 ГсЧсм3/г) возрастает с увеличением глубины залегания породы на 2 по-
рядка. На отметке 4125 м ее значение 2268г10-3 ГсЧсм3/г соизмеримо с аналогичным показателем кристаллических пород, вскрытых ВГС на глубинах 2576 и 2805 м, который равен 1429 и 1578г10-3 ГсЧсм3/г соответственно [2]. Высокие показатели намагниченности насыщения пород, косвенно указывают на возможность образования магнитоупорядоченных минералов (например, магнетита или гетита) биогенным путем.
Действительно, ЖРБ были обнаружены во всех накопительных культурах с породами из разреза СГ-4 (табл.1). Результаты магнитных измерений биоосадков (табл. 2) указывают на образование магнитоупорядоченных соединений железа во всех вариантах накопительных культур, подтверждая литературные сведения о том, что наиболее предпочитаемым субстратом для диссими-ляционной железоредукции, сопровождающейся образованием магнитного минерала магнетита является, ацетат [3]. Намагниченность насыщения биоосадков накопительных культур (табл. 2) закономерно повышается с увеличением глубины залегания пород, из которых они были выделены, но в пределах одного порядка и не превышает 1,6 раза. Сопоставление величин 8нас биоосадка накопительных культур и породы, из которой они были выделены, позволяют заключить, что биогенное образование магнитоупорядоченных соединений может внести заметный вклад в магнитные свойства пород разреза СГ-4 только в верхнем из изученных нами горизонтов. Именно там, намагниченность насыщения биоосадка не менее чем в 2,2 раза превосходит величину 8нас породы. Аналогичное соотношение ранее было обнаружено для по-
Таблица 1. Численность микроорганизмов (кл/г породы) различных физиологических групп
в туффитах, вскрытых СГ-4
№ п/п Глубина, м ЖРБ СРБ Тионовые Гетеротрофные
ацидофилы нейтрофилы аэробы анаэробы
1 1559 102 102 103 102 103 0
2 3976 100 100 - - - 102
3 4125 102 100 - - - 101
Примечание: «-» - показатель не определяли
Таблица 2. Намагниченность насыщения (янасг10-3 ГсЧсм3/г) туффитов, вскрытых СГ-4, и биоосадка накопительных культур железоредуцирующих бактерий
№ п/п Глубина, м Туффит Биоосадок накопительной культуры ЖРБ, выращенной на Гидроксид Fe(ПГ)
лактате ацетате
1 1559 20,9 44,1 56,0
2 3976 101,1 22,8 58,4 18 1
3 4125 2268,0 72,3 77,8
Шеховцова Н.В., Верховцева Н.В.
род, вскрытых ВГС в смешанной зоне [2], где наличие биогенного магнетита было доказано физическими методами анализа [10].
Таким образом, помимо гетеротрофных, азот-фиксирующих, углеводород- и водородокисляю-щих, сульфатредуцирующих и метанобразующих микроорганизмов, обнаруженных ранее [8], нами
Железоредуцирующие микроорганизмы...
из пород разреза СГ-4 впервые выделены железоредуцирующие и тионовые бактерии. Показано, что ЖРБ способны к биогенному образованию магнитоупорядоченных соединений, которые могут влиять на магнитные свойства пород, изъятых с глубины 1559 м.
2.09.2011
Список литературы:
1. Pedersen K. Diversity and activity of microorganisms in deep igneous rock aquifers of the Fennoscandian shield / Subsurface microbiology and biogeochemistry / Ed. J.K. Fredrickson, M. Fletcher/ - New York: Wiley-Liss cop., 2001. - P. 97-139.
2. Shekhovtsova N.V., Osipov G.A., Verkhovtseva N.V., Pevzner L.A. Analysis of lipid biomarkers in rocks of Archean crystalline basement // Proceedings of SPIE. - 2003. - V.4939. - P. 160-168.
3. Lovley D.R., Philips E.J.P Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese // Appl. and Environ. Microbiol. - 1988. - V.54, № 6. - P. 1472-1480.
4. Практикум по агрохимии. /Под ред. В.Г.Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 153.
5. Крамаренко Л.Е. Геохимическое и поисковое значение микроорганизмов подземных вод. - Л.: Недра, 1983. - 181 с.
6. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. - М.: Наука, 1989. - 285 с.
7. Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский А.О. и др. Магнетизм почв. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 1995. - 223 с.
8. Amy PS. Microbial dormancy and survival in the subsurface / The microbiology of the terrestrial deep subsurface /Ed. P.S. Amy, D.L. Haldeman. - New York: CRC Press LLC, 1997. - P. 185-203.
9. Оборин А.А., Иларионов С.А., Селезнев И.А., Хмурчик В.Т. Микробиологические исследования Уральской сверхглубокой скважины // Результаты бурения и исследований Уральской сверхглубокой скважины (СГ-4). Научное бурение в России: Сб. науч. тр. ФГУП НПЦ «Недра». - Ярославль, 1999. - Вып. 5. - С. 354-360.
10. Глубокое бурение в Пучеж-Катункской импактной структуре. - СПб: ВСЕГЕИ, 1999. - 392 с.
Сведения об авторах Шеховцова Нина Валентиновна, зав. кафедрой ботаники и микробиологии факультета биологии и экологии Ярославского госуниверситета им. П.Г. Демидова,
канд. биол. наук, доцент 150057, г. Ярославль, проезд Матросова, 9, каб. 311, тел. (4852)48-39-15, e-mail: [email protected] Верховцева Надежда Владимировна, профессор кафедры агрохимии факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, доктор биологических наук,
профессор, e-mail: [email protected]
UDC 622.24 (470.5)
Shekhovtsova N.V., Verkhovtseva N.V.
Demidov Yaroslavl State University, e-mail: [email protected] IRON-REDUCING MICRORGANISMS INTO SUPERDEEP VULCANIC ROCKS
The first iron-reducing bacteria (IRB) to be studied into Ural superdeep well (SG-4) rocks with a microorganisms of the sulfur and carbon cycles. A wide spread of IRB was demonstrated as well as their possible participation in biogenic formation of magnetic mineral among which the magnetite is more abundant into SG-4 rocks. A permanent presence of sulfate-reducing bacteria was supported, thiobacteria were discovered.
Key words: superdeep wells, rocks, magnetic properties, iron-reducing bacteria, sulfur cycle, heterotrophic microorganisms.
Bibliography:
1. Pedersen K. Diversity and activity of microorganisms in deep igneous rock aquifers of the Fennoscandian shield / Subsurface microbiology and biogeochemistry / Ed. J.K. Fredrickson, M. Fletcher/ - New York: Wiley-Liss cop., 2001. -P. 97-139.
2. Shekhovtsova N.V., Osipov G.A., Verkhovtseva N.V., Pevzner L.A. Analysis of lipid biomarkers in rocks of Archean crystalline basement // Proceedings of SPIE. - 2003. - V.4939. - P. 160-168.
3. Lovley D.R., Philips E.J.P. Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese // Appl. and Environ. Microbiol. - 1988. - V.54, № 6. - P. 1472-1480.
4. Handbook of agrochemistry / Ed. by V.G. Mineev. - M.: Izd-vo MGU, 1989. - 659 p.
5. Kramarenko L.E. Geochemical and searching importance of underground water microorganisms. - L.: Nedra, 1983. - 181 p.
6. Kuznetsov S.I., Dubinina G.A. Methods for studying of aquatic microorganisms. - M.: Nauka, 1989. - 285 p.
7. Babanin V.F., Truchin V.I., Karpachevskyi A.O. and others. Soil magnetism. - Yaroslavl: Izd-vo YaGTU, 1995. - 223 p.
8. Amy P.S. Microbial dormancy and survival in the subsurface / The microbiology of the terrestrial deep subsurface /Ed. P.S. Amy, D.L. Haldeman. - New York: CRC Press LLC, 1997. - P. 185-203.
9. Oborin A.A., Ilarionov S.A., Seleznev I.A., Khmurchik V.T. Microbiological investigations into Ural superdeep well // Results of drilling and investigations of Ural superdeep well (SG-4). Scientific drilling in Russia: Sb. nauch. tr. FGUP NPTs “Nedra”. - Yaroslavl, 1999. - Vyp. 5. - P. 354-360.
10. Deep drilling in the Puchezh-Katunki impact structure. - SPb.: VSEDEI-Press, 1999. - 392 p.
