Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

РАСПРОСТРАНЕНИЕ БАКТЕРИЙ РАЗЛИЧНЫХ ЭКОЛОГО-ТРОФИЧЕСКИХ ГРУПП В ПОДЗЕМНЫХ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОДАХ КУЛЬДУРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (ДАЛЬНИЙ ВОСТОК РОССИИ)

Калитина Е.Г. 1 Харитонова Н.А. 2 Вах Е.А. 3
1 ФГБУ «Дальневосточный геологический институт ДВО РАН»
2 ФГБОУВБ «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
3 ФГБОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»
Проведено исследование распространения и численности различных эколого-трофических групп бактерий в подземных водах месторождения Кульдур. Установлено неравномерное распределение функциональных групп бактерий в разных скважинах и их низкая численность. Наименьший состав эколого-трофических групп бактерий и их минимальное количество отмечено в скважинах подземных вод № 1-87, 2-87, что определялось более высокой температурой вод (72 °С). В подземных термальных водах скважин № 1-87 и 2-87 преимущественно развивались тионовые бактерии. Воды скважин № 3-87, 3-51 и 5-51 характеризовались развитием наибольшего количества групп микроорганизмов, среди которых преобладали тионовые бактерии и микроорганизмы геохимического цикла железа и марганца. В поверхностных водах реки Кульдур доминировали гетеротрофные марганецокисляющие бактерии, а также микроорганизмы цикла азота и углерода.
Подземные воды
микроорганизмы
геохимические циклы
кульдур
скважины
численность
эколого-трофические группы
1. Компаниченко В.Н. Вариации состава органического вещества в водах Кульдурского геотермального месторождения (Дальний Восток России) / В.Н. Компаниченко, В.А. Потурай // Тихоокеанская геология. – 2015. - № 4 (34). – С. 96-107.
2. Потурай В.А. Органическое вещество в подземных и поверхностных водах Кульдурского месторождения термальных вод, Дальний Восток России // Вестник КРАУНЦ. Науки о земле. – 2013. - № 1 (21). – С. 169-182.
3. Фишер Н.К., Компаниченко В.Н. Термофильные бактерии в Кульдурских горячих источниках // Территориальные исследования цели, результаты, перспективы: тезисы докл. Всерос. конф. ИКАРП ДВО РАН. – Биробиджан, 2007. – С. 156-159.
4. Лысак В.В., Желдакова Р.А., Фомина О.В. Микробиология, практикум. - Минск: БГУ, 2015. - 115 с.
5. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / под ред. Егорова Н.С. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 224 с.
6. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. - М.: Наука, 1989. - 228 с.
7. Youchimizu M. Study of intestinal microflora of Salmonids / M. Youchimizu, T. Kimura // Fish. Pathol. - 1976. - № 10 (2). – С. 243-244.
8. Ильинский В.В. Гетеротрофные бактерии городских родников: Московский заповедник «Крылатские холмы» / В.В. Ильинский, Н.А. Шадрина, Т.И. Комарова // Водные ресурсы. – 2010. - № 4 (37). – С. 494-501.
9. Компаниченко В.Н. Особенности химического состава вод Кульдурского термального поля / В.Н. Компаниченко, В.А. Потурай, В.Л. Рапопорт // Региональные проблемы. - 2009. - № 12. - С. 20-25.
10. Bosch J. Anaerobic, nitrate-dependent oxidation of pyrite nanoparticles by Thiobacillus denitrificans / J. Bosch, K.-Y. Lee, G. Jordan et al. // Environmental science and technology. – 2012. - Vol. 46. - P. 2095-2101.

Кульдурское месторождение термальных вод располагается во внутриконтинентальной части юга Дальнего Востока, в районе поселка Кульдур Еврейской автономной области. Кульдурские источники выходят в центральной части Пионерского гранитного массива и приурочены к зоне Меридионального разлома на участке пересечения  с оперяющим его нарушением северо-восточного направления. Кульдурское месторождение термальных вод является наиболее высокодебитным и высокотемпературным среди термальных полей внутриконтинентальной части юга Дальнего Востока [1]. Кульдурские термы представляют собой типичные напорные трещильно-жильные воды, поднимающиеся с глубин  порядка 2-3 км. Их формирование происходит за счет инфильтрационных вод атмосферного происхождения, а нагревание обусловлено эффектом нормального геотермического градиента [2]. Благодаря хорошим бальнеологическим свойствам термальные воды используются для лечения населения в санаториях «Кульдур», «Военный», «Санус» и «Горняк», расположенных в этом районе. Несмотря на многолетние режимные наблюдения за температурой и химическим составом термальных вод, сведения о населяющих их микроорганизмах очень ограниченны и практически отсутствуют. В литературе отмечена только одна работа, в которой методом измерения оптической плотности показана активность микробоценозов по отношению к некоторым органическим веществам и выявлен всего 1 морфотип колоний бактерий [3].

Цель исследования

В связи с ограниченной информацией целью работы было изучить распространение, численность и состав различных эколого-трофических групп бактерий в Кульдурских термальных источниках.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись термальные подземные воды Кульдурского месторождения: скважина № 1-87 (72 ºС, рН=9,11), № 2-87 (72 ºС, рН=9,13), № 3-87 (61 ºС, рН=9,07), № 3-51 (60 ºС, рН=9,24), № 5-51 (28 ºС, рН=9,53), а также р. Кульдур (10,7 ºС, рН=7,6). Пробы термальных и холодных вод отбирали, соблюдая условия стерильности, в августе 2014 года в стерильные стеклянные флаконы объемом 1000 мл,  в трех повторностях. Пробы воды до лаборатории хранили в холодильнике не более суток. Для выявления и культивирования различных групп бактерий использовали традиционные методы практической микробиологии [4]. Численность различных эколого-трофических групп бактерий определяли методом предельных разведений и методом Коха [5].  Количество различных эколого-трофических групп бактерий определяли на специально подобранных селективных средах [6-8]. Микроорганизмы выращивали в термостате при температуре 60 °С (подземные воды) и 25 °С (р. Кульдур).

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследований химического состава, проведенных ранее, показали, что воды Кульдурского термального поля являются щелочными фторидно-хлоридно-кремниево-гидрокарбонатными натриевыми, слабоминерализованными. Растворенная газовая составляющая терм представлена азотом (до 99%), в незначительном количестве метаном (0,8%), кислородом (0,5%) и аргоном (0,16%). Содержание общего углерода органического имеет невысокие значения и колеблется в пределах 0,3-3,7 мг/л, причем минимальные его значения наблюдаются в воде из центральных скважин (1-87, 2-87), а максимальные – в воде из скважины 3-51 [1; 9]. Результаты микробиологических исследований показали, что бактерии различных эколого-трофических групп были неравномерно распределены в подземных водах разных скважин, при этом они характеризовались достаточно низкой численностью, которая составляла от 0 до 2,5×103 кл/мл (тионовые бактерии, 60 ° С, скв. № 3-87) (таблица). Наиболее бедный состав эколого-трофических групп бактерий и низкое их количество отмечено в воде центральных скважин № 1-87 и 2-87, что совпадало с минимальными значениями общего органического углерода в этих водах [1]. При температуре культивирования 60 °С в термальных водах скважин № 1-87 и 2-87 развивались только тионовые (0,9×102 кл/мл - 1-87, 4,5×102 кл/мл - 2-87), нитритокисляющие (0,2×102 кл/мл – 2-87) и железовосстанавливающие бактерии (0,2×102 кл/мл – 2-87), остальные группы микроорганизмов не проявляли роста, что, возможно, связано с проточным режимом, а также высокой температурой термальных вод (72 °С), в которой способны выживать не все микроорганизмы. При температуре культивирования 25 °С из скважин № 1-87, 2-87 были выделены только колониеобразующие формы сапрофитных и олиготрофных бактерий, численность которых была не высока (таблица). Сапрофитные бактерии, выделенные из  скважины № 1-87, на среде YK формировали яркие оранжевые колонии двух типов: 1 - выпуклая, гладкая, с блеском с полупрозрачными ровными краями, диаметром 3-4 мм, 2 – плоская, шершавая, с выпуклой точкой в центре, диаметром 1-2 мм (рис. 1а). Сапрофиты из скважины № 2-87 образовывали мелкие, выпуклые светло-бежевые блестящие колонии с ровными краями диаметром 1-1,5 мм (рис. 1б). Подземные воды скважин № 3-87 и 3-51 характеризовались развитием большого числа различных эколого-трофических групп микроорганизмов, что может быть связано с более низкой температурой термальных вод (60-61 °С), которая более благоприятна для жизнедеятельности бактерий,  а также застойным гидрохимическим режимом термальных вод, который, вероятно, способствовал формированию специфических микробоценозов. Наибольший состав и численность физиологических групп бактерий в воде скважин № 3-87 и 3-51 отмечены при температуре культивирования 60 °С, тогда как при комнатной температуре (25 °С) рост бактерий практически отсутствовал, что позволяет отнести большинство выделенных микроорганизмов к облигатным термофилам (т.е. бактериям, которые не способны развиваться при температуре ниже 40 °С). При температуре культивирования 25 °С были выделены только сапрофитные и олиготрофные бактерии, численность которых была ниже, чем при температуре 60 °С (таблица).

Численность различных эколого-трофических групп бактерий в месторождении подземных термальных вод Кульдур

Функциональные группы микроорганизмов

 

Скважины термальных вод

р. Кульдур

(КОЕ/мл, кл/мл)

1-87

2-87

3-87

3-51

5-51

Температура культивирования бактерий, °С

60/25

60/25

60/25

60/25

60/25

25

Микроорганизмы геохимического цикла углерода

Сапрофиты, КОЕ/50 мл

0/1,6×101

0/1,0×102

1,7×102/0,4×101

0,6×102/0,4×102

0,5×101/3,2×102

1,0×103

Олиготрофы, КОЕ/50 мл

0/0,9×101

0/0

0,8×102/0,2×101

1,4×102/0,5×102

0,2×101/4,1×102

0

Микроорганизмы геохимического цикла азота

Азотфиксаторы, КОЕ/50 мл

0/0

0/0

0,5×102/0

0/0

0/6,4×102

4,4×102

Аммонификаторы, КОЕ/50 мл

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

 

Аммонийокисляющие, кл/мл

0/0

0/0

0,9×101/0

0,2×102/0

0/2,4×102

2,5×103

Нитритокисляющие, кл/мл

0/0

0,2×102/0

0,9×101/0

0,4×102/0

0/0,9×102

0,2×102

Гетеротрофные нитрификаторы, КОЕ/50 мл

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

1,2×103

Денитрификаторы, кл/мл

0/0

0/0

0/0

0/0

0/0

0,4×102

Микроорганизмы геохимического цикла серы

Тионовые бактерии, кл/мл

2,5×102/0

4,5×102/0

2,5×103/0

0,9×102/0

0/1,4×103

0,9×101

Сульфатредукторы, кл/мл

0/0

0/0

0/0

0,2×102/0

0/0

0

Микроорганизмы геохимического цикла железа и марганца

Железоокисляющие бактерии гетеротрофы, КОЕ/50 мл

0/0

0/0

1,5×102/0

1,2×103/0

0/3,5×102

1,0×102

Железоокисляющие бактерии автотрофы, кл/мл

0/0

0/0

0,9×102/0

1,4×102/0

0/0

0

Железовосстанавливающие бактерии, кл/мл

0/0

0,2×102/0

4,5×102/0

0,9×101/0

0/0,7×102

0

Марганецокисляющие гетеротрофы, КОЕ/50 мл

0/0

0/0

0/0

0,5×102/0

0/1,8×102

5,0×103

Марганецвосстанавливающие бактерии гетеротрофы, КОЕ/50 мл

0/0

0/0

1,0×102/0

7,5×102/0

0/0,5×101

3,0×102

Силикатные бактерии, КОЕ/50 мл

0/0

0/0

0,3×102/0

6,5×102/0

0/0

0,5×102

 

Рис. 1. Морфологические формы колоний сапрофитных бактерий, выделенных из термальных вод Кульдур, КОЕ/50 мл: а - скважина 1-87 (25 °С); б – скважина 2-87 (25 °С);

в – скважина 3-87 (60 °С); г – скважина 3-51 (60 °С); д – скважина 5-51 (25 °С)

Рис. 2. Морфологические формы марганецвосстанавливающих бактерий, выделенных из скважины 3-87 термальных вод Кульдур

Присутствие сапрофитов и олиготрофов в воде скважин свидетельствует об идущих процессах деструкции органического вещества с участием бактерий. Термофильные сапрофитные микроорганизмы в воде скважин № 3-87 и 3-51 при температуре 60 °С формировали разные типы колоний (рис. 1 в, г). Распределение и количество эколого-трофических групп при температуре 60 °С в воде скважин № 3-87 и 3-51 отличалось. В подземных водах скважины № 3-87 численность бактерий изменялась от 0 до 2,5×103 кл/мл, при этом ее минимальные значения наблюдались для микроорганизмов геохимического цикла азота, максимальные - для тионовых бактерий цикла серы (таблица). Известно, что тионовые бактерии являются хемолитоавтотрофами и способны в анаэробных условиях окислять восстановленные соединения серы с дальнейшим образованием серной кислоты [10]. Тионовые бактерии в результате своей жизнедеятельности, вероятно, способствуют образованию сульфатов в термальных водах Кульдур. Также обнаружена довольно высокая численность микроорганизмов цикла железа и марганца, среди которых преобладали термофильные анаэробные железовосстанавливающие бактерии (4,5×102 КОЕ/50 мл), гетеротрофные железоокисляющие бактерии (1,5×102 КОЕ/50 мл) и марганецвосстанавливающие анаэробные микроорганизмы (1,0×102 КОЕ/50 мл). Марганецвосстанавливающие микроорганизмы были способны восстанавливать четырехвалентный марганец, при этом образовывали тонкие пленкообразные колонии с оранжевым пигментом. Микроскопирование колоний показало, что бактерии представлены крупными нитевидными палочками от 31,43 мкм в длину, формирующими крупные нити до 150 мкм в длину (рис. 2). В термальных водах скважины № 3-51 при температуре культивирования 60 °С численность эколого-трофических групп бактерий варьировала от 0 до 1,2×103 КОЕ/50 мл, при этом их наименьшие количества выявлены для микроорганизмов цикла азота, наибольшие значения отмечены для железоокисляющих микроорганизмов (таблица). Термофильные железоокисляющие бактерии на селективной среде формировали различного размера и интенсивности окраски оранжевые плоские, блестящие колонии с прозрачной окантовкой вокруг с нечетким размытым краем, диаметром 0,1–3 мм (рис. 3а). Клетки бактерий представлены одним типом грамотрицательных палочек размером 2,3-4,5 мкм в длину. Палочки преимущественно располагаются по 2 клетки вместе (рис. 3б). Также достаточно высокой численности в воде скважины  № 3-51 достигали хемолитотрофные железоокисляющие (1,4×102 кл/мл), тионовые (0,9×102 кл/мл), марганецвосстанавливающие (7,5×102 КОЕ/50 мл), олиготрофные бактерии (1,4×102 КОЕ/50 мл) и марганецокисляющие микроорганизмы (0,5×102 КОЕ/50 мл),  а также силикатные бактерии (6,5×102 КОЕ/50 мл). Термофильные гетеротрофные марганецокисляющие бактерии образовывали на селективной среде плоские, блестящие колонии светло-оранжевого цвета с точкой в центре, диаметром 2-2,5 мм (рис. 3в). Микроскопия колоний показала, что бактерии были представлены грамотрицательными мелкими палочками размером 1,5-2,5 мкм в длину (рис. 3г). Палочки преимущественно группировались по 2 клетки и образовывали длинные нити, соединяясь с другими клетками в цепочку. Подземные воды скважины № 5-51 характеризовались температурой 28-29 °С. В этих условиях микроорганизмы различныхэколого-трофических групп преимущественно развивались при температуре культивирования 25 °С, что указывает на преобладание мезофильных форм бактерий. Однако при температуре 60 °С развивались только сапрофитные и олиготрофные бактерии в небольшой численности, что свидетельствует о способности некоторых мезофильных бактерий к росту при повышенных температурах. Сапрофитные бактерии при температуре 25 °С формировали на питательной среде мелкие, плоские, светло-коричневые колонии диаметром 2-4 мм (рис. 1д). Особенностью подземных вод скважины № 5-51 являлась довольно высокая численность тионовых бактерий (1,4×103 кл/мл), а также микроорганизмов геохимического цикла азота и углерода, особенно азотфиксаторов и олиготрофов (6,4×102 КОЕ/50 мл; 4,1×102 кл/мл), также были развиты гетеротрофные железо- и марганецокисляющие бактерии (3,5×102; 1,8×102 КОЕ/50 мл) (таблица). В поверхностных водах реки Кульдур обнаружена значительно более высокая численность различных эколого-трофических групп микроорганизмов, которая составляла 0-5,0×103 КОЕ/мл, что может быть связано с более высоким содержанием органического углерода в реке.

Рис. 3. Внешний вид колоний и морфология термофильных гетеротрофных железоокисляющих (а, б) и марганецокисляющих (в, г) бактерий, выделенных из скважины № 3-51 подземных термальных вод Кульдур

В водах реки были наиболее развиты гетеротрофные марганецокисляющие бактерии (5,0×103 КОЕ/мл), автотрофные аммонийокисляющие (2,5×103 кл/мл) и гетеротрофные нитрифицирующие микроорганизмы (1,2×103 КОЕ/мл), осуществляющие окисление аммония до нитритов и нитратов, а также сапрофитные бактерии (1,0×103 КОЕ/мл). Присутствие вышеперечисленных эколого-трофических групп в водах реки в достаточно высоких количествах может свидетельствовать о происходящих в поверхностных водах реки Кульдур процессах минерализации органических веществ. Только в водах реки обнаружены микроорганизмы, осуществляющие денитрификацию, т.е. восстановление нитратов до свободного азота, численность которых была не высока и составляла 0,4×102 кл/мл. Олиготрофные бактерии, ассимилирующие органические соединения  в условиях их низких концентраций в среде, не были обнаружены в поверхностных водах реки, возможно, в связи с ингибированием их роста более высокими количествами органического углерода.

Заключение

Таким образом, особенности химического состава, низкое содержание органики, наличие восстановительной обстановки в термальных водах Кульдур влияло на развитие разнообразных функциональных групп бактерий, что в целом создает в них специфический микробиологический пейзаж. В результате выполнения исследований были выделены накопительные и чистые культуры микроорганизмов различных функциональных групп, способных расти в щелочных условиях среды (рН 8,5-9,5) при температурах (54–72 °С). Выделенные бактериальные культуры представляют интерес для биотехнологии как активные ремедиаторы среды, устойчивые к высоким значениям температуры и рН.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-35-60098 мол_а_док.


Библиографическая ссылка

Калитина Е.Г., Харитонова Н.А., Вах Е.А. РАСПРОСТРАНЕНИЕ БАКТЕРИЙ РАЗЛИЧНЫХ ЭКОЛОГО-ТРОФИЧЕСКИХ ГРУПП В ПОДЗЕМНЫХ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОДАХ КУЛЬДУРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (ДАЛЬНИЙ ВОСТОК РОССИИ) // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 5.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=26940 (дата обращения: 19.09.2019).

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 = 1.074