Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

DISTRIBUTION OF VARIOUS ECOLOGO-TROPHIC GROUPS OF BACTERIA IN THE UNDERGROUND THERMAL WATERS OF THE KULDUR FIELD (FAR EAST RUSSIA)

Kalitina E.G. 1 Kharitonova N.A. 2 Vakh E.A. 3
1 Far East geological Institute, FEB RAS
2 Moscow state University named after M. V. Lomonosov
3 Far Eastern Federal University
Distribution and abundance of various ecological-trophic groups of bacteria in the underground waters of the Kuldur deposit were investigated. The results of the study showed an uneven distribution of the functional groups of bacteria in different wells and their low numbers. The lowest composition of ecological-trophic groups of bacteria and their minimum quantity was noted in groundwater wells No. 1-87, 2-87, which was determined by a higher water temperature (72 °C). In the underground thermal waters of wells No. 1-87 and 2-87, thionic bacteria predominantly developed. The waters of wells No. 3-87, 3-51 and 5-51 were characterized by the development of the largest number of groups of microorganisms, among which thionic bacteria and microorganisms of the geochemical cycle of iron and manganese predominated. The surface waters of the Kuldur river were dominated by heterotrophic manganese-oxidizing bacteria, as well as microorganisms of the nitrogen and carbon cycle.
groundwater
microorganisms
geochemical cycles
kuldur
wells
number
ecological and trophic groups

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.