авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Микроорганизмы, окисляющие железо и марганец в донных осадках озера байкал

На правах рукописи

ЗАХАРОВА Юлия Робертовна МИКРООРГАНИЗМЫ, ОКИСЛЯЮЩИЕ ЖЕЛЕЗО И МАРГАНЕЦ В ДОННЫХ ОСАДКАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ 03.00.16 – экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владивосток, 2007

Работа выполнена в лаборатории водной микробиологии Лимнологического института СО РАН

Научный консультант: кандидат биологических наук Парфенова Валентина Владимировна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Бузолева Любовь Степановна кандидат биологических наук, доцент Напрасникова Елизавета Викторовна

Ведущая организация: Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Защита состоится «_» _ 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.056.02 при Дальневосточном государственном университете МОН РФ по адресу: 690600, г. Владивосток, Океанский проспект, 37. Научный музей ДВГУ Факс: (4232) 26-85-

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета МОН РФ.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Ю. А. Галышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Байкал – один из очень немногих пресных водоемов, в которых хорошо представлена окислительная стадия диагенеза, характеризующаяся интенсивным накоплением и преобразованием соединений железа и марганца в донных осадках. Донные отложения озера Байкал представляют собой особую экологическую зону, характеризующуюся широким спектром скоростей осадконакопления, концентраций Сорг и окислительно-восстановительных условий в поверхностных осадках. Несмотря на то, что в пресных водоемах образование различных форм вторичного диагенетического концентрирования железа и марганца является процессом биогенным, в Байкале данный вопрос почти не изучен. Способность окислять двухвалентные соединения железа и марганца и осаждать оксиды металлов на поверхности клеток присуща многим филогенетически разнообразным микроорганизмам. Бактерии, использующие разные формы железа и марганца для энергетических и конструктивных потребностей, играют ключевую роль в геохимическом цикле этих элементов. Деятельность микроорганизмов, окисляющих железо и марганец ранее изучалась в пресноводных (Кузнецов, 1970;

Заварзин, 1972;

Горленко и др., 1977;

Nelson et al., 1988;

Miyajima, 1992;

Straub, Buchholz Cleven, 1998;

и др.) и морских экосистемах (Jannasch, Taylor, 1984;

de Vrind et al., 1986;

Waasbergen et al., 1986;

Tortell et al., 1999;

Emerson, Moyer, 2002;

Edwards et al., 2003 и др.).

В озере Байкал ранее также были обнаружены некоторые представители железо- и марганецокисляющих микроорганизмов (Дубинина, 1978;

Коробушкина и др., 1995;

Granina et al, 2003). Исследование деятельности бактерий важно для характеристики геохимического цикла железа и марганца и определения роли микроорганизмов в накоплении этих рудообразующих элементов в донных осадках озера. До настоящего времени видовое разнообразие и количественная оценка железо– и марганецокисляющих бактерий не проведена, поэтому изучение структуры и численности данной группы микроорганизмов, в том числе и культивируемых в озере Байкал является актуальной задачей.

Цель работы: выявить разнообразие и особенности распределения микроорганизмов, способных к окислению железа и марганца в донных осадках оз. Байкал.

Задачи исследования: 1. Определить видовое разнообразие микроорганизмов, окисляющих железо и марганец в донных осадках озера Байкал;

2. Оценить влияние физико-химических факторов на степень выявления железо- и марганецокисляющих бактерий;

3. Изучить количественный состав и закономерности вертикального распределения железо - и марганецокисляющих бактерий;

4. Провести сравнительные исследования Fe(II) и Mn(II)окислительной активности у разных морфотипов железобактерий;

5. Получить в условиях лабораторного эксперимента минерализованные образования с культурами микроорганизмов, изолированными из донных осадков оз. Байкал.

Научная новизна. Впервые проведено исследование культивируемых микроорганизмов, окисляющих железо и марганец, в донных осадках озера Байкал.

Выделено и идентифицировано 115 чистых культур железо– и марганецокисляющих микроорганизмов, отнесенных к шести родам: Metallogenim, Lepthotrix, Siderocapsa, Naumaniella, Bacillus и Pseudomonas. Установлено, что исследуемые бактерии широко распространены в донных отложениях Байкала. Экологические ниши железо- и марганецокисляющих микроорганизмов приурочены к поверхностным слоям грунта и границе окисленных и восстановленных осадков. Основными факторами, влияющими на численность и распределение железобактерий, являются окислительно-восстановительные условия среды, наличие растворенных форм железа и марганца, а также органического вещества, которые контролируются условиями осадконакопления в озере. Впервые в условиях лабораторного эксперимента показано получение железомарганцевых микроконкреций с участием микроорганизмов, изолированных из донных осадков оз.

Байкал.

Практическая значимость. Получены активные штаммы микроорганизмов, окисляющих железо и марганец. Бактерии переводят металлы в нерастворимую форму и накапливают окислы на поверхностных структурах клеток. Культуры могут быть рекомендованы к применению в технологии извлечения железа и марганца из растворов, обогащенных этими металлами. Предлагается использовать данные штаммы на практических занятиях в ВУЗах для изучения процессов окисления железа и марганца в экосистемах.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. В процессах окисления Fe(II) и Mn(II) в донных осадках озера Байкал принимают участие представители шести родов бактерий: Metallogenim, Lepthotrix, Siderocapsa, Naumaniella, Bacillus и Pseudomonas.

2. Численность и распределение микроорганизмов, окисляющих железо и марганец зависит от литологического состава донных отложений и условий осадконакопления в озере. Основные факторы, влияющие на биогенное Fe(II) и Mn(II) окисление в осадках Байкала: глубокое проникновение кислорода, подток восстановленных форм железа и марганца, количество органического вещества и реакция среды.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на третьем международном симпозиуме «Ancient Lakes: speciation, development in time and space, natural history» (Иркутск, 2002), на международном Байкальском микробиологическом симпозиуме «Микроорганизмы в экосистемах озер, рек и водохранилищ» (Иркутск, 2003), на международном совещании «Biochemical processes involving iron minerals in natural waters» (Monte Verita, Switzerland, 2003), на европейском микробиологическом конгрессе «1st FEMS congress of European microbiologist» (Ljubljana, Slovenia, 2003), на международном совещании «Biosphere Origin and Evolution» (Новосибирск, 2005), на 4-ой Верещагинской конференции (Иркутск, 2005), на молодежной конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2005), на международном совещании «ESF Workshop» (Bayreuth, Germany, 2005), на всероссийской конференции «Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии» (Улан-Удэ, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена 149 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, приложения, списка литературы, включающего 167 источников, и содержит 36 рисунков и 11 таблиц.

ГЛАВА 1. Обзор литературы В главе обобщены и представлены сведения о биогеохимическом цикле железа и марганца. На основе современной филогенетической классификации дана общая характеристика микроорганизмов, окисляющих железо и марганец, а также показана биологическая роль окисления этих металлов. Рассмотрены экологические условия среды, определяющие развитие микроорганизмов в донных осадках озера Байкал.

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования Исследования донных осадков озера Байкал проводились в 2001 – 2006 годах в разных районах, различающихся по темпам накопления осадков, окислительно восстановительным условиям и физико-химическим параметрам среды. (рис 1). Это глубоководные районы Южного, Среднего и Северного Байкала, мелководные – района Баргузинского залива, придельтовые р. Селенги, районы подводных возвышенностей Среднего Байкала (Академический хребет, Посольская банка). Также были изучены места выхода гидротермальных вод (бухта Фролиха), распространения газовых гидратов (Кукуйский каньон, кратеры Маленький, Большой) и нефтепроявлений (м. Толстый, Горевой Утёс). Пробы донных осадков были отобраны в ходе экспедиций на НИС «Верещагин» при помощи пластиковых бентосных трубок, гравитационных труб и дночерпателя «Океан». Всего было отобрано и исследовано 605 проб донных осадков на 58 станциях оз. Байкал.

Грунт в колонках исследовали послойно через 1- 2 см. Обработку проб для микробиологических определений производили непосредственно после отбора, а также после замораживания в стерильной стеклянной посуде. Сразу Рис. 1. Карта-схема районов отбора проб донных осадков оз. Байкал после извлечения грунта измеряли Т, Районы отбора проб рН и Еh при помощи портативных приборов EC/pH-meter WM-22EP (TOA, Япония) и Eh-meter (HORIBA, Япония).

Для выделения колоний микроорганизмов использовали прямой посев на селективные твердые среды как поверхностным, так и глубинным способом;

метод предельных разведений и пластинок обрастания (Родина, 1965). Культивирование микроорганизмов, окисляющих железо и марганец, проводили на девяти питательных селективных средах, использованных ранее разными авторами (Родина, 1965;

Романенко, Кузнецов, 1974;

Кузнецов, Дубинина, 1989;

Звягинцев, 1991;

Розанова и др., 2003).

Учёт численности и выделение чистых культур бактерий, окисляющих марганец и железо, проводили на средах (№10, 11) следующего состава: (NH4)SO4 0.5 г, NaNO3 0.5 г, K2HPO4 0.5 г, MgSO4. 7H2O 0.5 г, лимонная кислота 10 г, сахароза 2 г, триптон 1 г, MnSO4.

5H2O 4.7 г, (для марганецокисляющих) или FeSO4. 7H2O 5.9 г, (для железоокисляющих бактерий), с добавлением агара (15-20 г) или без него, H2O (дист.) –1 л, pH 6.8.

Для идентификации железобактерий изучали морфологию выделенных штаммов, проводили окрашивание окислов железа и марганца в капсулах и чехлах бактерий, окрашивание по Граму (Родина, 1965;

Хоулт и др., 1997;

Кузнецов и др., 1987).

Морфологию клеток и минеральных частиц изучали при помощи оптического микроскопа «Ампливал», эпифлуоресцентного микроскопа «Olympus», сканирующего электронного микроскопа (Philips SEM 525M, Япония), трансмиссионного микроскопа (JEOL JEM- EX, Япония), сканирующего электронного микроскопа, оснащенного энергетическим спектрометром (Philips XL 30 FEG, Япония).

Для обнаружения окислов железа и марганца на клеточных структурах использовали цитохимические методы окраски Fe3+ c применением желтой кровяной соли, для Mn4+ раствора бензидина (Родина, 1965;

Кузнецов и др., 1987). Накопление окислов металлов, окрашенных в синий цвет, наблюдали на клеточных структурах в световом микроскопе, а также в колониях, выросших на чашках.

Для установления таксономической принадлежности части выделенных штаммов проводили молекулярно-биологические исследования на основе анализа последовательностей гена 16S рРНК.

Общую численность железобактерий в донных осадках учитывали на мембранных фильтрах методом прямого счета (Кузнецов и др., 1987).

Скорость роста штаммов при проведении экспериментов оценивали методом эпифлуоресцентной микроскопии после окрашивания бактерий на фильтрах флуорохромным красителем ДАФИ. Подсчет клеток осуществляли с помощью программного комплекса, разработанного НТИ ЛИН СО РАН (авт. свидетельство № 2005610667). Определение концентраций ионов Mn2+, Fe2+ в поровых водах осадков проводили колометрически по модифицированной методике (Лейбович, 1979). Для определения концентраций железа и марганца в твердой фазе осадков и при проведении экспериментов использовали метод атомной абсорбционной спектрофотометрии в ацетиленовом пламени на спектрофотометре ASS-30.

Статистическую обработку данных проводили по стандартным методикам (Плохинский Н. А., 1970) с использованием программного пакета Microsoft Excel 7.0 для Windows 98.

Все эксперименты проводили в трех повторностях. Для полученных данных рассчитывали среднее значение и среднее квадратичное отклонение.

ГЛАВА 3. Культивирование, морфология и систематика микроорганизмов, окисляющих железо и марганец В результате проведенной работы выделены железо- и марганецокисляющие бактерии, которые были микроаэрофильными хемогетеротрофами, использующими в качестве источника углерода органические кислоты и сахара.

Для решения вопросов культивирования и оценки биоразнообразия железобактерий в донных осадках Байкала был применен экологический подход. Это дало возможность подойти к подбору питательных оптимальных сред для культивирования многих представителей группы железо- и марганецокисляющих микроорганизмов.

При использовании известных селективных сред (№1;

2;

3;

4;

7;

8) для культивирования получить развитие железо- и марганецокисляющих микроорганизмов не удалось. Рост на средах №5;

6;

сопровождался накоплением в колониях бурых окислов марганца, на среде №9 желто-оранжевых окислов железа. Слабое накопление в колониях окислов железа и марганца удавалось выявить только с помощью их окрашивания растворами желтой кровяной соли или бензидина соответственно.

Развитие бактерий на чашках Петри с селективными средами №10 и 11 становилось заметным на 4 – 5-е сутки (при 25 0C), в некоторых случаях на 10 – 14-е сутки. На поверхности среды появлялись характерные колонии, рост которых сопровождался накоплением желто-оранжевых окислов железа или бурых окислов марганца. По мере роста и развития колоний, используемая среда так же меняла цвет, постепенно окисляясь от светло-зеленого до ржавого у железоокисляющих бактерий или от бежевого до коричневого у марганецокисляющих бактерий (рис. 2). Размеры колоний варьировали от - 2 мм до 1 – 1.5 см. Их форма и структура так же отличались большим разнообразием.

Одни колонии имели шероховатую структуру с радиально расходящимися нитями по краю, другие были круглыми с фестончатым краем и гладкой с металлическим блеском поверхностью или крупными плоскими с неправильными изрезанными краями. Часто наблюдали рост по краю чашки мелких точечных колоний, а также ползучий рост бактерий.

В течение наших исследований было выделено и идентифицировано 115 чистых культур, отнесенных к группе железо- и марганецокисляющих микроорганизмов.

а б Рис. 2. Колонии микроорганизмов, окисляющих железо (а) и марганец (б), выращенные на селективной среде № 10 и № Выделенные штаммы (рис.3) были отнесены к родам Leptothrix, Siderocapsa, Naumaniella, Metallogenium, Bacillus, Pseudomonas (Хоулт и др., 1997). Большинство выделенных штаммов Leptothrix sp. были представлены прямыми грамотрицательными палочками (0,62,0 мкм), соединенными в прямые и извитые цепочки. Палочки в составе коротких цепочек, содержащих 8-10 клеток, окружены чехлом. Чехлы заметно покрыты оксидами железа и марганца и окрашены в желто-коричневый или бурый цвет соответственно. Клетки Leptothrix sp. активно подвижны с помощью полярно расположенного жгутика и покидают чехлы, которые поэтому иногда пусты.

Бактерии родов Siderocapsa и Naumaniella (Siderocapsaceae) существенно варьировали по морфологии и капсулированию. К роду Naumaniella мы отнесли грамотрицательные палочковидные клетки (1,53,5-4,5 мкм), окруженные тонкой капсулой, покрытой оксидами железа, а так же эллипсоидные клетки (1,52,5 мкм), образующие сферические скопления. Клетки эллипсоидной формы имели плотные ровные капсулы, микроколонии образовывали сферические формы, в центре густо инкрустированные окислами железа.

Бактерии, идентифицированные как Siderocapsa sp. представлены короткими (1,10,8 мкм) грамотрицательными палочками, а в стационарной фазе сферическими и овальными клетками (0,50,7 мкм), окруженные отдельной или общей капсулой. Капсула покрыта окислами железа или марганца и имеет рыхлую структуру.

Рис. 3. Морфология Leptothrix sp. (1), Naumaniella sp.(2), Siderocapsa sp.(3), выделенных из донных осадков оз. Байкал (сканирующая электронная микроскопия, а - молодые культуры, б - орудненные культуры с чехлами или капсулами).

Культуры Metallogenium symbioticum выросшие на среде Заварзина (№6) получены в смешанной культуре с плесневым грибом. Микроколонии Metallogenium в форме «паучка» состояли из радиально расходящихся нитей и достигают десятки мкм в диаметре. Нити покрыты отложениями окислов марганца, которые в старых культурах заполняют промежутки между нитями. Грамположительные спорообразующие бактерии, отнесенные к роду Bacillus, имели палочковидные клетки размером 0,8-1,25,0-10,0 мкм, продолговатые и овальные споры 1,0-1,50,8-1,0 мкм. Железо- и марганецоксидазная активность проявлялась на поздних стадиях спорогенеза, при этом оксиды металлов сосредотачивались в экзоспориуме. Грамотрицательные палочки (1,02,5–3,0), отнесенные к роду Pseudomonas осаждают диоксид марганца на поверхности клетки. В иммобилизации катионов Mn2+ непосредственно участвует полимер, находящийся на наружной мембране клетки. По мере развития, бактериальная культура Pseudomonas sp. образует биопленки, с которыми ассоциирован преципитат MnO2. Результаты филогенетического анализа показали, что процент гомологии культивируемых Pseudomonas и Bacillus и последовательностей из GeneBank банка данных составляет 98 – 99%. Для исследуемых штаммов, отнесенных к роду Pseudomonas ближайшими родственниками являлись Р.

рutida, P. mandelii и P. migulae, для штаммов, отнесенных к роду Bacillus - B. pumilus, B.

subtilis, B. megaterium.

1. 2. 3.

0.5 мкм 1 мкм 2 мкм 10 мкм Рис. 4. Морфология Metallogenium sp. (1) - световая микроскопия увеличение 100, Bacillus sp. (2) - трансмиссионная электронная микроскопия, Pseudomonas sp. (3) - сканирующая электронная микроскопия, выделенных из донных осадков оз. Байкал (а - молодые культуры, б - орудненные культуры).

ГЛАВА 4. Экология микроорганизмов, окисляющих железо и марганец, в донных осадках озера Байкал Донные осадки озера Байкал представляют собой характерную экологическую зону, обильно заселенную микроорганизмами, которые участвуют в деструкции органического вещества и регенерации биогенных элементов. Важной особенностью Байкала является глубокое проникновение кислорода в осадки, иногда превышающее 4,5 см, благодаря чему донные отложения окислены на большей части поверхности дна (Martin et al., 1998).

Распределение в них разных форм железа и марганца зависит от окислительно восстановительной характеристики осадка, непосредственно связанной с условиями осадконакопления. Микроорганизмы, окисляющие железо и марганец, обнаружены в осадках всех исследованных районов Байкала. В глубоководных районах озера максимальная общая численность железобактерий обнаружена в осадках станций южной (1, котловины кл/г влажного грунта). Численность культивируемых железоокисляющих бактерий составляла – от 100 до 2100 кл/г, марганецокисляющих бактерий – от 50 до 1000 кл/г влажного грунта. Исследуемые осадки фоновой станции Листвянка - Танхой и районов метановой разгрузки (кратеры Маленький, Большой) представлены серыми диатомовыми илами, имеющими на поверхности небольшой окисленный слой (2-4 см). В осадках преобладали восстановительные условия, Eh верхних слоев составлял +200 мВ и снижался до -140 мВ на глубине 11 см от поверхности ила.

Значения рН варьировали от 6,8 до 7,2. Концентрации Fe2+ и Mn2+ в иловых растворах в отдельных слоях различны и составляют от 0,01 до 0,32 мг/л и от 0,01 до 0,16 мг/л соответственно В осадках глубоководных станций Среднего и Северного Байкала общая численность железобактерий колебалось в пределах 1,1 – 3,4106 кл/г влажного грунта.

Количество культивируемых микроорганизмов, окисляющих железо, в Среднем Байкале достигало 1100 кл/г, а в Северном - 2600 кл/г влажного грунта. Микроорганизмы, окисляющие марганец, преобладали в поверхностных слоях Среднего Байкала (до 900 кл/г влажного грунта).

кл/г 0 200 400 кл/г 600 1 2 0 200 400 600 800 1000 0, 0, 1, 1, 2, Глубина,см 2, 3, Глубина, см 3, 4, 5,0 4, 6,0 5, 7,0 6, 8,0 7, Fe-окисляющие бактерии Mn-окисляющие бактерии Fe-окисляющие бактерии Mn-окисляющие бактерии 9,0 8, 0 кл/г 500 1000 1500 2000 2500 3 0, 2, Глубина, см 4, 6, 8, 10, 12, Fe-окисляющие бактерии Mn-окисляющие бактерии Рис. 5. Вертикальное распределение железо- и марганецокисляющих микроорганизмов в донных осадках глубоководных районов Байкала, 1- Южный Байкал (1483 м);

2 – Средний Байкал (1690 м);

3 – Северный Байкал (940 м).

В илах средней котловины значения Eh поверхностных слоев в большинстве проб ниже +166 мВ и лишь в узкой зоне окисленных илов повышены до +320 мВ. В большинстве кернов содержатся темно-коричневые железомарганцевые корки, расположенные в 1-2 см окисленного ила. Концентрации Fe2+ и Mn2+ в поровых водах осадков увеличиваются с глубиной. Донные отложения средней котловины представлены диатомовыми илами, к основанию которых приурочены восстановленные плотные глины. Осадки окислены на глубину 8 см, содержат уплотненные железомарганцевые корки, залегающие на редокс границе. Значения рН близки к нейтральным (6,5 – 7,1), Eh поверхностных слоев высокий (+457 мВ). Таким образом, область распространения железобактерий в глубоководных районах Байкала ограничена окисленным слоем грунта, причем максимум численности во всех котловинах приурочен к верхней и нижней его границе (рис. 5).

Донные отложения подводных возвышенностей Посольской банки и Академического хребта характеризуется низкими скоростями накопления осадков и низким содержанием в них органического вещества. В окисленном слое исследуемых осадков Посольской банки найдены железомарганцевые образования, которые в виде плоских корочек находятся на плотных восстановленных глинах вершины возвышенности (глубина 36 м) или небольших конкреций, залегающих в более рыхлом осадке склона на глубине 200 м.

Высокая численность бактерий, до 4,6107 кл/г, отмечена в диатомовых илах склоновых районов, наименьшая – 3,5104 кл/г влажного грунта, в песчаных восстановленных осадках. В распределении культивируемых железо - и марганецокисляющих бактерий прослеживается четкая вертикальная зональность. Как правило, их содержание в десятки раз выше в поверхностных слоях с железо-марганцевыми конкрециями, по сравнению с подстилающей их толщей осадков (рис. 6).

В донных отложениях Академического хребта прослеживаются явные различия в мощности окисленной зоны. На станции 47 диатомовые илы с подстилающей их глиной окислены на всю длину отобранного керна (до 58 см). В осадках остальных станций данного района глубина окисленной зоны составляла от 5 см до 11–12 см.

Зарегистрированы высокие значения Eh (до +510 мВ), которые остаются положительными в самых глубоких слоях отобранных кернов. Условия среды в разных слоях варьируют от нейтральных до слабощелочных (рН 6,4–7,8). В большинстве исследуемых кернов обнаружены уплотненные железомарганцевые конкреции и корки, которые залегают на границе между окисленными и восстановленными осадками. Значения концентраций Fe2+ и Mn2+ в поровых водах осадков неоднородны по вертикали и варьируют в пределах от 0,05 до 0,43 мг/л для железа, и от 0,19 до 3,61мг/л для марганца. Колебания численности бактерий по вертикали в пределах одной колонки грунта достигали одного – двух порядков. Максимальное количество железобактерий (3,6107 - 2,6108 кл/г влажного грунта) приурочено к границам окисленных и восстановленных слоев осадков.

Неравномерное вертикальное распределение культивируемых железо- и марганецокисляющих бактерий определяется сменой типа осадка, а также колебаниями окислительно-восстановительных условий и концентраций железа и марганца в отдельных слоях грунта.

0 50 100 кл/г 150 200 0 1000 2000 кл/г 5 Глубина, см Глубина, см 30 Fe-окисляющие бактерии 35 Fe-окисляющие бактерии 40 Mn - окисляющие бактерии Mn-окисляющие бактерии 50 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 кл/г 1500 кл/г 0 5 Глубина, см Глубина, см 10 15 20 Fe -окисляющие бактерии Fe-окисляющие бактерии Mn-окисляющие бактерии Mn-окисляющие бактерии 25 3 Рис. 6. Вертикальное распределение железо- и марганецокисляющих бактерий в донных осадках районов Посольской банки (1, 2) и Академического хребта (3, 4).

На станциях в районах естественных выходов нефти наблюдалась высокая численность железобактерий. Максимальные значения зарегистрированы в колонке грунта отобранной у м.Толстый – 6,6107 кл/г, на станциях района Горевой утес - до 1,5107 кл/г влажного грунта. В илах вентовой структуры Кукуйский каньон – месте обнаружения газовых гидратов – выявлена необычно высокая численность железоокисляющих бактерий (до кл/г), в то время как марганецокисляющие бактерии практически отсутствовали. Следует отметить, что численность исследуемых бактерий в районах метановой разгрузки и естественных нефтепроявлений была на порядок выше, чем на фоновой станции Среднего Байкала.

В поверхностном слое донных осадков придельтового района реки Селенги микроорганизмы, окисляющие железо и марганец, распределены неравномерно (рис. 7).

Количество культивируемых железобактерий колеблется от 0 в крупных песках, от кл/г до 800 кл/г в мелкозернистых песках и от 1100 кл/г до 31000 кл/г в илистых песках и окисленных мелкоалевритовых илах.

Fe - окисляющ ие бактерии Mn-окисляющ ие бактерии кл/г Станции 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Рис. 7. Распределение железо - и марганецокисляющих бактерий в донных осадках придельтового района р. Селенги.

Исследуемые осадки района Баргузинского залива состояли из песков, песчаных и слабодиатомовых илов. Большинство кернов имело незначительный окисленный слой (не более 1см), в грунтах на станциях 12, 31, 32, 33 окисленный слой отсутствовал. В осадках преобладали восстановительные условия, значения рН нейтральные (6,8–7,2), температура в поверхностных слоях варьировала от 4,2 до 8,2оС. В пробах поверхностного слоя значения общей численности железобактерий варьировало от 3,7106 до 4,7107 кл/г влажного грунта, количество культивируемых марганецокисляющих бактерий находилось в пределах 100 – 800 кл/г, а железоокисляющих от 250 до 6100 кл/г влажного грунта (рис.8). Подобное распределение железобактерий, скорее всего, связано с влиянием речного стока на концентрацию органических веществ в поверхностных грунтах мелководных районов озера.

В окисленных илах бухты Фролиха, общая численность железобактерий составляла от 9,4105 до 8,0106 кл/г влажного грунта. В исследуемых образцах преобладали слабощелочные условия рН 7,3, низкие значения Eh и концентраций Fe2+ и Mn2+ в поровых водах поверхностных осадков. Численность культивируемых групп микроорганизмов на разных станциях была невелика, 0 – 200 кл/г влажного грунта. Исключение составляли окисленные осадки с железомарганцевыми конкрециями, где было обнаружено до 700 кл/г железоокисляющих бактерий и до 500 кл/г микроорганизмов, окисляющих марганец.

Fe-окисляющ ие бактерии 800 кл/г 7000 кл/г Fe-окисляющ ие бактерии Mn-окисляющ ие бактерии Mn-окисляющ ие бактерии 1000 1. 2.

Станции 30 31 32 33 34 35 Станции 52 53 54 55 56 57 Рис. 8. Распределение железо– и марганецокисляющих бактерий в донных осадках районов Баргузинского залива (1) и бухты Фролиха (2).

ГЛАВА 5. Изучение роли микроорганизмов в окислении железа и марганца и в осаждении их окислов в экспериментальных условиях.

При изучении процессов окисления железа и марганца в донных осадках Байкала необходимо учитывать наличие и активность микроорганизмов – оксидантов, которые существенно влияют на диагенетическое перераспределение металлов в среде. В экспериментальных опытах дана количественная оценка степени участия микроорганизмов, изолированных из осадков Байкала, в окислении железа и марганца.

Развитие чистых культур железо– и марганецокисляющих бактерий в колбах с селективыми средами (№10 и №11) сопровождалось во всех вариантах опытов изменением цвета среды и образованием окислов марганца и железа в виде плотного бурого налета на стенках и дне опытных колб. При микроскопировании наблюдали различные стадии развития и колониального роста бактерий, которые сопровождались трансформацией формы и объема клеток. Бактерии в начальной стадии роста через 6 часов покрывались слизистой полисахаридной оболочкой, к 98 часам инкубации формировалась бактериальная пленка и через 312 часов рост бактерий замедлялся и наступала стадия образования минерализованных агрегатов (рис.9). Через 24–48 часов после начала эксперимента регистрировали увеличение численности бактерий, которая возрастала на три-четыре порядка через 168 – 264 часа. Увеличение численности клеток сопровождалось снижением содержания растворенных форм железа и марганца в среде. Достоверно установлено что накопление аморфных фаз оксидов металлов на поверхности клеток происходит уже через 98 часов эксперимента, о чем свидетельствуют пики железа и марганца при проведении электронной микроскопии и сопряженного локального энергодисперсионного химического анализа (рис. 10).

1. 6 часов 144 часа 312 часов 2.

Рис. 9. Динамика роста Siderocapsa sp. Fe15 и формирования минерализованных образований в условиях лабораторного эксперимента (1 – эпифлуоресцентная, 2 – сканирующая электронная микроскопия).

1.

2.

Рис. 10. Химический спектр клеток культивируемых Bacillus sp., окисляющих железо(1) и марганец(2), через 98 часов эксперимента. Точка анализа указана стрелкой.

Скорость окисления Fe2+ и Mn2+ в культурах железобактерий составляла десятки мг/л в сутки. Исследуемые штаммы осаждали железо и марганец с различной скоростью. В наиболее активных культурах полное осаждение железа и марганца из водной фазы происходило в течение 146–168 часов. Концентрации железа или марганца в безбактериальном контроле существенно не изменялись. Содержание железа и марганца определяли как в водной фазе, так и в сухом биогенном осадке.

0,8 2,00 12, л 10,00 млрд.кл/м л 1, млрд.кл/м 0,. 8, мг/мл мг/мл 1,00 6,00 0,4 4,00 0, 0, 2, 1 10 мкм 0,00 0, 0 6 24 48 96 144 168 198 264 6 24 48 96 144 168 198 264 Время эксперимента, ч. Время эксперимента,ч Mn 4, мг/мл Mn осадка ОЧБ, Fe 1, мг/мл Feосадка ОЧБ Рис. 11. Динамика изменения численности бактерий и содержания железа и марганца в среде и биогенном осадке в течение лабораторного эксперимента.

Рис. 12. Микрофотографии конкреций, полученных в условиях лабораторного эксперимента с культурой Bacillus sp. Mn34 (сканирующая электронная микроскопия) Анализ полученных результатов показал, что при участии микроорганизмов активно происходило снижение концентрации железа и марганца в растворе и одновременное увеличение её в биогенном осадке (рис. 11). Концентрации осажденного железа и марганца на 7–8 сутки эксперимента составляли от 90% до 100 % от исходного количества компонента в среде. При дальнейшем культивировании в течение четырёх месяцев наблюдали формирование микроконкреций на дне колб. В конце эксперимента были выделены микроконкреции чёрно-бурого цвета, диаметром 2-5мм. Электронно микроскопическое исследование показало, что они имеют слоистую структуру. Внутри «железистых» слойков четко выделяются бактериальные клетки (рис.12).

ВЫВОДЫ 1. Показано, что железо– и марганецокисляющие бактерии, культивируемые на селективных питательных средах, являются микроаэрофильными хемогетеротрофами, использующими в качестве источника углерода органические кислоты и сахара.

2. Установлено, что в окислении Fe(II) и Mn(II) в донных осадках оз. Байкал принимают участие представители шести родов: Metallogenim, Lepthotrix, Siderocapsa, Naumaniella, Bacillus и Pseudomonas.

3. В донных отложениях разных районов озера выявлены экологические ниши благоприятные для развития микроорганизмов, окисляющих железо и марганец.

Установлено, что основными факторами, влияющими на биогенное Fe(II) и Mn(II)окисление в осадках Байкала, являются: глубокое проникновение кислорода, подток восстановленных форм железа и марганца, количество органического вещества и реакция среды.

4. Выявлено, что железо- и марганецокисляющие бактерии в донных отложениях озера по вертикали распределены неравномерно. Максимальное количество исследуемых микроорганизмов наблюдается в поверхностных слоях глубоководных районов Южного и Среднего Байкала, на границе окисленных и восстановленных осадков в толще отложений и в слоях железомарганцевыми конкрециями. В глубоких слоях восстановленных грунтов, а также в песчаных илах и песках мелководных районов озера железобактерии не обнаружены.

5. В результате лабораторных экспериментов и наблюдений, определено, что окисление и диагенетическое перераспределение элементов в толще донных отложений обусловлено активностью микрофлоры. Наибольшей Fe(II) и Mn(II)окислительной активностью обладают культивируемые бактерии родов Siderocapsa и Bacillus.

6. Установлено, что микроорганизмы, окисляющие железо и марганец, участвуют в формировании конкреций в донных осадках оз. Байкал. В условиях лабораторного эксперимента показана принципиальная возможность получения биогенных железомарганцевых конкреций c культурами Siderocapsa sp. и Bacillus sp.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Belkova N.L., Parfenova V.V., Zakharova Ju.R., Tazaki K. Si and Fe biomineralization by microorganisms in bottom sediments of Delta Selenga River, tributary of Lake Baikal, Russia // The Science Reports of Kanazawa University, 2001 V. 46. № 1,2., P. 39-47.

2. Granina L.Z., Parfenova V.V., Zemskaya T.Z., Zakharova Yu. R., Golobokova L.P., Sturm M. On the Fe- and Mn- oxidizing microorganisms in sedimentary redox cycling in Lake Baikal // Third international symposium ancient lakes: speciation, development in time and space, natural history: Abstr. of conference. – Irkutsк, 2002. P.60.

3. Granina L.Z., Parfenova V.V., Zemskaya T.I., Zakharova Yu.R., Golobokova L.P. On iron and manganese oxidizing microorganisms in sedimentary redox cycling in lake Baikal // Berliner Palaobiologische Abhandlungen. 2003. V.4. P.121-128.

4. Парфенова В.В., Захарова Ю.Р., Белькова Н.Л. Микроорганизмы, окисляющие железо и марганец в донных осадках озера Байкал. // Международный Байкальский симпозиум по микробиологии «Микроорганизмы в экосистемах озер, рек и водохранилищ»: Тез. докл. – Иркутск. 2003. С.115.

5. Parfenova V.V., Granina L.Z., Zakharova Yu.R. Iron and manganese oxidizing microorganisms in sedimentary redox cycling in lake Baikal // International workshop on biochemical processes involving iron minerals in natural waters: Abstr. of conference. – Monte Verita, Switzerland. 2003. P.57.

6. Belkova N., Tazaki K., Parfenova V., Zakharova Yu., Okrugin V. The effect of microorganisms on Fe-As precipitation in not spring biomats at circumneutral Ph. // The 1 st FEMS Congress of European microbiologists: Abstr. of conferens. – Ljubljana, Slovenia, 2003. P. 431-432.

7. Granina L.Z., Mizandrontsev I.B., Parfenova V.V., Zakharova Yu.R. Iron and manganese cycling in sediments of Lake Baikal // 14th Annual Goldschmidt: Abstr. of conferens. – Denmark, 2004. P.195.

8. Belkova N.L., Zakharova Ju.R., Tazaki K., Okrugin V. M., Parfenova V.V. Fe-Si biominerals in the Vilyuchinskie hot springs, Kamchatka Peninsula, Russia. // International Microbiology, 2004. V.7. P.193-198.

9. Захарова Ю.Р., Гранина Л.З., Парфенова В.В. Биогенное железонакопление в донных осадках озера Байкал // Международное рабочее совещание «Происхождение и эволюция биосферы»: Тез. докл. – Новосибирск. 2005. С. 167.

10. Захарова Ю.Р., Белькова Н.Л., Гранина Л.З., Парфенова В.В. Влияние микроорганизмов на процессы окисления железа и марганца в условиях лабораторного эксперимента // Четвертая Верещагинская байкальская конференция:

Тез. докл. и стенд. сообщ. – Иркутск, 2005. С.83.

11. Захарова Ю.Р., Парфенова В.В., Кравченко О.С. Микроорганизмы, окисляющие железо и марганец в донных осадках оз. Байкал: культивирование, количество, распределение // Молодежная школа-конференция «Актуальные аспекты современной микробиологии»: Тез. докл. – Москва, 2005. С.30.

12. Парфенова В.В., Белькова Н.Л., Денисова Л.Я., Зайчиков Е.Ф., Максименко С.Ю., Захарова Ю.Р., Поддубняк Н.Ю., Моложавая О.А., Никулина И.Г. Изучение видового состава культивируемых гетеротрофных микроорганизмов оз. Байкал // Биология внутренних вод. 2006. №1. С. 8 – 15.

13. Захарова Ю.Р., Парфенова В.В. Биогенное образование минералов железа и марганца в условиях лабораторного эксперимента // Всероссийская конференция «Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии»: Тез. докл. – Улан-Удэ, 2006. С. 44.

14. Гранина Л.З., Захарова Ю.Р., Парфенова В.В., Гранин Г.Н. Скорость окисления железа и марганца в осадках Байкала // Всероссийская конференция «Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии»: Тез. докл. – Улан-Удэ, 2006. С. 32.

15. Захарова Ю.Р., Парфенова В.В. Метод культивирование микроорганизмов, окисляющих железо и марганец, в донных осадках оз. Байкал // Известия РАН. Серия биологическая. 2007. №2.

Автор выражает благодарность научному руководителю к.б.н. В.В. Парфеновой за всестороннюю помощь в работе, Т.И. Земской, Л.З. Граниной, Г.А. Дубининой, Н.Л.

Бельковой, Т.Я. Косторновой, О.С. Кравченко, И.Б. Мизандронцеву, О.М. Хлыстову, Р.В.

Адельшину, И.В. Тихоновой и всем сотрудникам лаборатории водной микробиологии ЛИН СО РАН за оказанную помощь при выполнении работ и обсуждении результатов.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.