Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,831

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ БАКТЕРИЙ РАЗЛИЧНЫХ ЭКОЛОГО-ТРОФИЧЕСКИХ ГРУПП В МИКРОБНЫХ МАТАХ МИНЕРАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ОСТРОВА САХАЛИН (ДАЛЬНИЙ ВОСТОК РОССИИ)

Лебедева Е.Г. 1 Харитонова Н.А. 2 Челноков Г.А. 1 Брагин И.В. 1
1 ФГБУ «Дальневосточный геологический институт ДВО РАН»
2 ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
Исследован физико-химический состав, а также распространение, состав, структура и численность различных эколого-трофических групп бактерий в микробных матах минеральных источников о. Сахалин. Показано, что доминирующим катионом в минеральных водах является натрий, из анионов преобладают гидрокарбонат и хлор-ионы. В микроэлементном составе изученных вод превалируют кремний, йод, бор, железо и стронций. В микробных матах холодных и термальных источников установлена достаточно высокая численность бактерий различных физиологических групп и их низкое биоразнообразие. В матах холодных слабосероводородных азотно-метановых вод отмечено бурное развитие бактерий цикла серы и углерода. В цикле серы преобладали бесцветные серобактерии рода Thiotrix sp. и сульфатредуцирующие микроорганизмы, в цикле углерода наибольшей численности достигали сапрофитные бактерии. В матах термального источника Александровский отмечено развитие многих эколого-трофических групп бактерий, при этом значительно преобладали микроорганизмы цикла углерода и азота. В цикле углерода выявлено доминирование сапрофитных, гидролитических и метаногенных бактерий. Присутствие метаногенов в пробах мата свидетельствует о происходящих в источниках процессах биогенного образования метана. В цикле азота превалировали аммонифицирующие, денитрифицирующие бактерии и гетеротрофные нитрификаторы, что указывает на происходящие в матах процессы разложения азотсодержащих органических веществ. В цикле железа и марганца в микробных матах термального источника отмечена наибольшая численность марганецвосстанавливающих и железоокисляющих гетеротрофных бактерий. Выделенные гетеротрофные бактерии формировали светло-серые, бежевые и молочного цвета плоские колонии и были представлены в большинстве спорообразующими, грамположительными, подвижными палочками различной длины. Выделенные изоляты были в основном представлены бактериями рода Bacillus sp.
бактерии
микробный мат
численность
минеральные источники
Сахалин
эколого-трофические группы
химический состав
1. Комиссаренко Б.Т. Минеральные источники и лечебные грязи Сахалина и Курил. Южно-Сахалинск: Сахалинское книжное издательство, 1964. 115 с.
2. Chelnokov G.A., Bragin I.V., Kharitonova N.A. Geochemistry mineral waters and gases of the Sakhalin Island (Far East of Russia). Journal of Hydrology. 2018. vol. 559. P. 942–953. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2018.02.049.
3. Жарков Р.В. Современные физико-химические особенности термоминеральных вод Дагинского месторождения (о. Сахалин) // Мониторинг. Наука и технологии. 2018. № 4. С. 6–11.
4. Kashkak E.S., Belkova N.L., Danilova E.V., Dagurova O.P., Namsaraev B.B., Gorlenko V.M. Phylogenetic and functional procariotic diversity in the Hoito-Gol mesothermal mineral spring (Eastern Sayan Mountains, Buryat Republic). Microbiology. 2016. vol. 85. no. 5. P. 592–603. DOI: 10.1134/S0026261716050076.
5. Lavrentyeva E.V., Radnagurueva A.A., Barkhytova  D.D., Zaitseva S.V., Namsaraev B.B., Belkova N.L., Namsaraev Z.B., Gorlenko V.M. Bacterial diversity and functional activity of microbial communities in hot springs of the Baikal rift zone. Microbiology. 2018. vol. 87. no. 2. P. 272–281. DOI: 10.1134/S0026261718020078.
6. Лысак В.В., Желдакова Р.А., Фомина О.В. Микробиология: практикум. Минск: БГУ, 2015. 115 с.
7. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 228 с.
8. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / Под ред. Егорова Н.С. М.: Изд-во МГУ, 1995. 224 с.
9. Определитель бактерий Берджи / Под ред. Хоулта Д., Крига Н., Снита П., Стейли Д., Уилльямса С. в 2 т. М.: Мир, 1997. Т. 1. 432 с.
10. Kalitina E.G., Kharitonova N.A., Kuzmina T.V., Chelnokov G.A. Microorganisms in the deposits of cold carbon mineral waters of the Russian Far East and their habitats. IOP Conf. series: Earth and environmental science. 2018. vol. 115. P. 012033. DOI: 10.1088/1755-1315/115/1/012033.
11. Kadnikov V.V., Ravin N.V., Mardanov A.V., Beletskii A.V., Frank Y.A., Ivasenko D.A., Karnachuk O.V., Pimenov N.V. Uncultured bacteria and methanogenic archaea predominate in the microbial community of Western Siberian deep subsurface aquifer. Microbiology. 2017. vol. 86. no. 3. P. 412–415. DOI: 10.1134/S0026261717030079.
12. Каллистова А.Ю., Меркель А.Ю., Тарновецкий  И.Ю., Пименов Н.В. Образование и окисление метана прокариотами // Микробиология. 2017. Т. 86. № 6. С. 661–663. DOI: 10.7868/S002636561706009X.
13. Kalitina E.G., Kharitonova N.A., Kuzmina T.V. Chemical and Microbiological Composition of Technogenic Waters in the Tailing Dumps of Krasnorechensk Ore-dressing Plant (Primorsky Krai, Russia). IOP Conf. series: Earth and environmental science. 2019. vol. 272. P. 032057. DOI: 10.1088/1755-1315/272/3/032057.
14. Lebedeva E.G., Chelnokov G.A., Bragin I.V., Kharitonova N.A. Microorganisms of various ecological-trophic groups in the saline ground waters of Primorsky Region (distribution, number, participation in accumulation of microelements). E3S Web of Conferences. 2019. vol. 98. P. 02006. DOI: 10.1051/e3sconf/20199802006.

Сахалин является самым крупным островом России. Минеральные подземные воды широко распространены на всей территории острова Сахалин и представлены как глубинными водами, вскрытыми скважинами, так и естественными холодными и термальными минеральными источниками. Наиболее крупные месторождения и проявления расположены в пределах Северо-Сахалинского гидрогеологического бассейна напорных вод (Дагинское месторождение гидротерм, Лунские и Паромайские термальные источники). Химический состав подземных вод Сахалина изучен сравнительно слабо, наибольший вклад в его исследования в разные годы внесли В.В. Иванов, Н.Д. Цитенко, М.А. Штейн, И.Г. Завадский, Т.С. Розорителева и др. [1–3]. Известно, что минеральные источники являются естественной средой обитания различных микроорганизмов. Бактерии в воде и в биоматах, образующихся в местах выхода минеральных вод, играют важную роль в функционировании экосистем, осуществляя процессы продукции и деструкции органического вещества, участвуя в геохимических циклах элементов [4–5]. Однако распространение бактерий различных эколого-трофических групп в микробных матах минеральных источников о. Сахалин ранее не было изучено.

Цель исследования: исследовать физико-химический состав вод, а также изучить распространение, состав, структуру и численность различных физиологических групп бактерий в микробных матах минеральных источников острова Сахалин.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись холодные минеральные воды Антоновские и Невельские (температура 8,0–10,0 °С), расположенные в западной части о. Сахалин, и термальные минеральные воды Дагинского месторождения (источник Александровский, 45,2 °С), расположенные в северо-восточной части острова, недалеко от п. Горячие ключи. Во всех изученных минеральных водах на выходе отмечено формирование микробных матов. В Антоновских источниках отобрано два типа микробных матов (А1B, A14). Пробы минеральных вод и микробных матов отбирали, соблюдая условия стерильности, в стеклянные бутыли и пластиковые емкости объемом 200 мл в трех повторностях. Отбор проб осуществляли в июне 2015 г. Часть проб фиксировали на месте с добавлением 40 % формалина. Остальную часть хранили не более 12 ч в холодильнике, затем анализировали в лаборатории. Нестабильные показатели химического состава (рН, температура) измерялись непосредственно на месте. Водные пробы для анализа анионов и катионов фильтровали через мембранные фильтры (нитрат целлюлозы, 0,45 μm, Sartorius) на месте отбора для удаления взвеси и затем были подкислены азотной кислотой. Химический анализ проб выполнен на базе аналитического центра ДВГИ ДВО РАН.

Для выявления и культивирования бактерий использовали традиционные методы практической микробиологии [6]. Численность различных эколого-трофических групп бактерий определяли методом предельных разведений и методом Коха. Количество различных физиологических групп бактерий определяли на специально подобранных селективных средах [7]. Микроорганизмы выращивали в термостате при температуре 25 °С и 45 °С. Анаэробные формы бактерий культивировали в анаэростате с использованием газогенерирующих пакетов BD GasPak EZ. Морфологию, размеры, подвижность выделенных чистых культур исследовали с использованием светового микроскопа AxioStar plus (Carl Zeiss, Германия). Тип клеточной стенки бактерий определяли по Граму [8]. Идентификацию микроорганизмов до рода проводили согласно определителю Берджи [9].

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследования химического состава минеральных вод показали, что Антоновские и Невельские источники характеризовались низкой температурой (8–10 °С), различным рН, преобладанием в составе катионов натрия, в составе анионов – гидрокарбонат-, хлор- и сульфат-ионов. В микроэлементном составе вод превалировали кремний, бор, йод и стронций (табл. 1). Воды Александровского источника отличались более высокой температурой (45,2 °С), нейтральным рН, высокой минерализацией (1,67 г/л). В составе катионов преобладал натрий, в составе анионов – хлор и гидрокарбонат-ионы. Воды были значительно обогащены кремнием, йодом, бором и железом (табл. 1). В газовом составе источников преобладал метан (69 %), азот (29 %) и сероводород (1,1 %).

Результаты микробиологических исследований показали, что в обследованных микробных матах отмечена довольно высокая численность функциональных групп бактерий, которая варьировала от 0 до 4,8×108 кл/см3. В микробных матах Антоновского и Невельского источников значительно преобладали бактерии цикла серы и углерода (табл. 2). Количество микроорганизмов цикла серы в матах холодных сероводородных источников достигало наибольших значений, при этом во всех пробах значительно преобладали бесцветные серобактерии (7,4×105 (А14) – 4,8×108 (Невельский) кл/см3). Бесцветные серобактерии в Антоновском и Невельском минеральных источниках формировали белые микробные маты в виде белых косм. Идентификация культур нитчатых серобактерий показала, что во всех пробах они были представлены микроорганизмами рода Thiotrix sp (рис. 1).

Таблица 1

Физико-химический состав минеральных вод о. Сахалин

Точки отбора

t, °C

pH

Na

Ca

Mg

K

CI

SO4

HCO3

F

г/л

1

10

9,1

0,067

0,005

0,0005

0,0003

0,032

0,016

0,11

0,0002

2

8

6,5

0,091

0,0115

0,0023

0,0009

0,065

0,034

0,116

0,0001

3

45,2

6,53

0,587

0,0198

0,0013

0,0045

0,709

0,001

0,405

0,0006

Точки отбора

TDS г/л

Eh

mV

Fe

Mn

Si

Al

Ba

Sr

I

B

мг/л

1

0,25

–219

0,1

0,001

8,7

0,007

0,001

0,5

0,47

2

0,33

–224

0,1

0,06

10

0,01

0,001

0,16

0,01

0,76

3

1,67

–42

0,25

0,001

19,7

0,015

0,04

0,6

4,1

0,27

Примечание. 1 – Невельский источник; 2 – Антоновский источник; 3 – Александровский источник.

leb1a.tif leb1b.tif

Рис. 1. Морфология нитчатых бесцветных серобактерий рода Thiotrix sp., выделенных из белых матов минеральных источников Антоновский и Невельский

Наибольшая численность бесцветных серобактерий отмечена в минеральном источнике Невельский, который отличался более низкой минерализацией вод и более щелочными условиями (табл. 1, 2). Клетки бесцветных серобактерий на поверхности формировали белые минеральные отложения. Элементный анализ белых отложений показал, что они состоят из элементной серы, содержание которой достигает 99 %. Биологическая роль бесцветных серобактерий в микробных матах заключается в окислении сероводорода, который поступает с вулканическими флюидами, а также из донных осадков и микробных матов в результате микробной сульфатредукции, до элементной серы, которая накапливается в протоплазме клеток и затем окисляется до сульфатов. Образованные сульфаты восстанавливаются до сероводорода с участием анаэробных сульфатредуцирующих бактерий. Численность сульфатредуцирующих бактерий в пробах микробных матов холодных источников была достаточно высока и изменялась от 6,4×105 (А14) до 5,2×106 (Невельский) кл/см3, что подтверждает частично биогенное происхождение сероводорода. Присутствие сульфатов в составе холодных минеральных вод способствует активной деятельности сульфатредуцирующих бактерий (табл. 1). Подобное преобладание в структуре бактерий цикла серы было отмечено нами ранее в углекислых минеральных водах Приморья [10]. Кроме бесцветных серобактерий в окислении сероводорода участвуют хемолитоавтотрофные тионовые бактерии, которые окисляют его до элементной серы, которую откладывают снаружи клетки. Тионовые бактерии были отмечены только в матах Антоновского источника (1,8–4,7×104 кл/см3), где количество бесцветных серобактерий было ниже (табл. 2).

Таким образом, показан вклад бактерий цикла серы в образование и окисление сероводорода и сульфатов в холодных минеральных источниках о. Сахалина. В цикле углерода в микробных матах холодных минеральных источников Антоновский и Невельский принимали участие различные эколого-трофические группы бактерий (табл. 2). Численность бактерий варьировалась от 0 до 2,7×106 кл/см3, при этом значительно преобладали сапрофитные микроорганизмы, что указывает на происходящие процессы деструкции органического вещества в микробных матах. В пробе мата А14 Антоновского источника, отличающегося присутствием грунтов, отмечены анаэробные метанообразующие бактерии, численность которых была невысока и составляла 5,6×102 кл/см3. Метанообразующие бактерии осуществляют конечный этап анаэробного разрушения органических веществ, и их присутствие в минеральных водах свидетельствует о наличии органических веществ и анаэробной обстановке. Меньше всего в микробных матах холодных минеральных источников были представлены бактерии цикла железа и марганца, что связано с низким содержанием этих элементов в подземных водах (табл. 1, 2).

В микробных матах термальных вод Александровского термального источника (Дагинское местрождение) преобладали бактерии цикла углерода и азота (табл. 2). Количество микроорганизмов цикла углерода в матах терм варьировало от 1,0×103 до 3,7×106 кл/см3, при этом значительно преобладали анаэробные формы сапрофитных бактерий. На начальных этапах деструкции главную роль играют микроорганизмы-гидролитики, разлагающие полимерные соединения. Доминирующими были целлюлозоразлагающие бактерии, их численность достигала 7,2×104 кл/см3, что указывает на протекание процессов разложения целлюлозы в матах. Также в мате терм были отмечены достаточно высокие количества метанообразующих бактерий, которые составляли 8,4×104 кл/см3. Метаногены являются облигатно анаэробными микроорганизмами и получают энергию для роста от двуокиси углерода, водорода и ацетатов, которые образуются в результате деятельности комплекса сапрофитных, гидролитических, ферментативных, ацетогенных микроорганизмов [11, 12]. Присутствие метаногенов в пробах мата свидетельствует о происходящих в источниках процессах биогенного образования метана. Изотопные данные, полученные ранее в этих водах, подтверждают биогенный характер метана из термальной зоны Даги [2]. В цикле азота доминировали аммонифицирующие, денитрифицирующие бактерии и гетеротрофные нитрификаторы, что указывает на происходящие в матах процессы разложения азотсодержащих органических веществ (табл. 2). В цикле железа и марганца в микробных матах термального источника Александровский отмечена достаточно высокая численность анаэробных марганецвосстанавливающих и железоокисляющих бактерий, количество которых составляло 7,0×102 кл/см3, что совпадало с более высоким содержанием железа в этих водах (табл. 1). Наименее были развиты микроорганизмы геохимического цикла серы.

Из накопительных культур микробных матов минеральных источников о. Сахалин были выделены чистые штаммы термофильных, мезофильных и психрофильных бактерий. Среди выделенных гетеротрофных микроорганизмов преобладали колонии светло-серого, бежевого и молочного оттенка, лишенные пигмента (рис. 2, а–в).

Таблица 2

Численность различных физиологических групп бактерий в микробных матах минеральных источников о. Сахалин

Функциональные группы бактерий: (кл/см3)

Антоновский источник

Невельский

Александровский

А1B

A14

Цикл углерода:

       

Сапрофитные бактерии, аэробы

1,6×104

3,2×105

1,5×105

1,7×105

Сапрофитные бактерии, анаэробы

2,0×105

2,7×106

2,0×106

3,7×106

Протеолитические бактерии

3,5×102

8,1×102

6,0×102

1,0×103

Целлюлозоразлагающие бактерии

0

1,9×102

0

7,2×104

Метанообразующие бактерии

0

5,6×102

0

8,4×104

Цикл азота:

       

Азотфиксирующие

0,7×102

1,2×103

0

0

Аммонификаторы

3,1×102

0

0

1,2×103

Автотрофные нитрификаторы

0

0

0

0

Гетеротрофные нитрификаторы

0

5,2×104

0

6,0×104

Денитрифицирующие

0

0

0

3,2×104

Цикл серы:

       

Тионовые

4,7×104

1,8×104

0

0

Сульфатредуцирующие

6,4×105

1,2×106

5,2×106

1,6×102

Бесцветные серобактерии

9,5×106

7,4×105

4,8×108

0

Цикл железа, марганца:

       

Железоокисляющие гетеротрофы

0

0

0

7,0×102

Железовосстанавливающие

0

0

0

0

Марганецокисляющие гетеротрофы

0

0

0

0

Марганецвосстанавливающие

0

3,8×103

0

2,5×104

Цикл кремния:

       

Силикатные бактерии

0

4,5×104

9,5×104

1,2×104

 

leb2a.tif leb2b.tif leb2c.tif

а) б) в)

Рис. 2. Типы колоний гетеротрофных бактерий, выделенных из микробных матов минеральных источников о. Сахалин

Микроскопирование колоний показало, что бактерии, выделенные из микробных матов минеральных источников Антоновский и Невельский, были в основном представлены грамположительными достаточно крупными спорообразующими палочками (1,57–1,95 мкм длина; 0,86–0,98 мкм ширина), а также грамотрицательными короткими палочками разной длины (0,25–0,61 мкм длина; 0,31–0,39 мкм ширина). Микроорганизмы, выделенные из матов термальных вод Александровский, были в основном представлены грамположительными, спорообразующими, преимущественно подвижными палочками размерами 1,65–2,41 мкм длина; 0,91–0,99 мкм ширина и крупными нитевидными споровыми палочками 3,67–7,66 мкм в длину. По типу питания большинство штаммов относятся к хемоорганотрофам. Каталазная и оксидазная активность была отмечена у большинства штаммов. В микробных матах в целом отмечено небольшое разнообразие культивируемых форм бактерий, при этом во всех исследуемых минеральных источниках доминировали бактерии рода Bacillus sp. Бактерии рода Bacillus sp. повсеместно распространены, выделяются из различных термальных источников и были изолированы нами ранее в техногенных водах и грунтах хвостохранилищ, а также в подземных высокоминерализованных водах Приморского края [13, 14].

Заключение

Проведенные исследования показали, что в минеральных водах о. Сахалин среди катионов преобладал натрий, среди анионов – гидрокарбонат и хлор-ионы, в микроэлементном составе источников превалировали кремний, йод, бор, железо и стронций. В микробных матах, формирующихся на выходах минеральных источников о. Сахалин, отмечена достаточно высокая численность различных функциональных групп бактерий, которые играют важную роль в геохимических циклах углерода, азота, серы, железа и марганца. В структуре микробных сообществ холодных вод доминировали микроорганизмы цикла серы и углерода, что указывает на происходящие процессы окисления органических веществ и восстановленных соединений серы с участием микроорганизмов. В матах термальных источников преобладали сапрофитные, метанобразующие бактерии и микроорганизмы цикла азота. Выделены чистые культуры бактерий, которые были представлены в основном грамположительными, спорообразующими подвижными палочками, из которых значительно преобладали бактерии рода Bacillus sp.


Библиографическая ссылка

Лебедева Е.Г., Харитонова Н.А., Челноков Г.А., Брагин И.В. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ БАКТЕРИЙ РАЗЛИЧНЫХ ЭКОЛОГО-ТРОФИЧЕСКИХ ГРУПП В МИКРОБНЫХ МАТАХ МИНЕРАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ОСТРОВА САХАЛИН (ДАЛЬНИЙ ВОСТОК РОССИИ) // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 11. – С. 107-112;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37248 (дата обращения: 09.02.2023).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.685