ГЕОХИМИЯ, 2007, № 3, с. 342-347
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОТОТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ (АНОКСИФОТОБАКТЕРИЙ И ЦИАНОБАКТЕРИЙ) С МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ В ВОДНЫХ
РАСТВОРАХ
© 2007 г. О. С. Покровский*, Е. И. Компанцева**
*Aqueous and Environmental Experimental Geochemistry Group, LMTG UMR 5563 CNRS, Toulouse France (oleg@lmtg.obs-mip.fr) **Институт микробиологии им. C.H. Виноградского РАН Москва, просп. 60-летия Октября, 7, корп. 2 Поступила в редакцию 18.07.2005 г.
Важнейшей задачей современной экологической геохимии представляется количественное моделирование потоков микроэлементов, в частности тяжелых и токсичных металлов и металлоидов, в пределах водной оболочки суши. Основным физико-химическим фактором, контролирующим миграцию микроэлементов в природных водах, является их адсорбция на поверхности твердых фаз, соосаждение с новообразующимися минеральными компонентами и активное или пассивное поглощение микроорганизмами. В настоящее время, экспериментальные исследования и физико-химические описания взаимодействия микроэлементов с неорганическими компонентами природных вод находятся уже на стадии теоретического моделирования и обладают высокой предсказательной способностью. Использование же количественных физико-химических подходов к моделированию влияния биоты на циклы химических элементов остается в зачаточном состоянии. В то же время, в последнее десятилетие наблюдается огромный рост числа англо-саксонских геохимических работ, посвященных лабораторным исследованиям обратимого (равновесного) взаимодействия экологически важных металлов (Cd, Zn, Pb, U) c поверхностями бактерий (см. Фейн с соавторами, 1-2). Такие работы, направленные прежде всего на экспериментальное измерение процента адсорбированного металла в зависимости от рН среды (pH-de-pendent adsorption edge), проводятся на различных штаммах бактерий в контролируемых лабораторных условиях в инертном электролите при концентрациях металлов (15-150 |M), на 2-3 порядка превышающих их содержание в природных водах. Несмотря на некоторую ограниченность таких физико-химических экспериментов, они позволили создать достаточно строгие термодинамические модели комплексооборазования металлов
с поверхностями микроорганизмов, аналогично моделированию минеральных поверхностных равновесий [3]. Такие модели учитывают химический состав поверхности клеток, кислотно-основные равновесия функциональных групп, контролирующих адсорбцию [4, 5], и обладают определенной предсказательной способностью по отношению к новым, неизученным металлам (двух- и трехвалентным катионам) и бактериальным видам [2]. Использование термодинамического подхода для описания взаимодействия других геохимически важных микроэлементов, таких как оксианионы (Мо, Ga, Se), металлоиды (As, Sb) или моновалентные металлы (Т1, Cs), с поверхностями микрорганизмов особенно при низких концентрациях металлов, сопоставимых с таковыми в природных водах, до настоящего времени не проводилось и является первой задачей настоящей работы.
Вторым важным моментом применения физико-химического подхода для количественного предсказания миграции микроэлементов в присутствии живых организмов является учет активного (необратимого) захвата при росте клеток. Результаты лабораторных исследований культур микроорганизмов не могут быть просто перенесены на природные условия в силу существенной разницы между составом культуральной среды содержащей фосфаты и органические комплек-сообразователи, и природных водных обстано-вок: формы нахождения микроэлементов, а следовательно, и процессы активного транспорта через биологические мембраны в культуральных средах и природных водах сильно различаются между собой. В этой связи наиболее надежным методом оценки коэффициентов биологического поглощения микроэлементов является их прямое измерение в природных биологических сообществах. Поверхностные гидротермальные системы
характеризуются относительным постоянством состава флюида и отсутствием многоуровневой биор-ганизации (бактерии, водоросли, простейшие, многоклеточные), типичной для низкотемпературных экосистем. Такие биологические объекты, часто имеющие моноспецифический состав доминирующей биомассы, представляют уникальный шанс для прямой количественной оценки коэффициентов распределения (Kd) микроэлементов между водным раствором и растущими в нем микроорганизмами. Второй задачей настоящей работы являлось измерение Kd микроэлементов непосредственно в природных условиях, на гидротермах Центральной Камчатки, и их сравнение с величинами обратимой адсорбции, полученными в лабораторных экспериментах с культурами фототрофных микроорганизмов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Культивирование бактерий
Использованные в данной работе культуры почкующихся пурпурных несерных бактерий Rhodo-pseudomonas sp. KR-95p и Rhodobacter sp. f-7bl, а также цианобактерии Gloeocapsa sp. f-6gl хранятся в лаборатории экологии и геохимической деятельности микроорганизмов Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН (Москва). Термофильные зеленые нитчатые бактерии Chloroflexus auran-tiacus B-3 предоставлены кафедрой микробиологии Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Культуры цианобактерий Myx-osarcina chroococcoides CALu-15 и Aphanocapsa thermales CALU-307 получены из коллекции микроорганизмов кафедры микробиологии Санкт-Петербургского государственного университета.
Пурпурные бактерии культивировали на минеральной среде Пфеннига [6] с добавлением 0.1 г/л дрожжевого экстракта и 2 г/л ацетата (для Rhodo-pseudomonas sp. KR-95p) или малата (для Rhodobacter sp. f-7bl) натрия. Исходное значение рН было от 7.0 до 7.4. Термофильные зеленые бактерии Chloroflexus aurantiacus B-3 выращивали на модифицированной среде Кастенхольца [6], содержащей 0.5 г/л дрожжевого экстракта, 0.5 г/л гидроли-зата казеина и 2 г/л ацетата натрия, при рН 7.8-8.2. Для культивирования цианобактерий использовали среду D [6] при рН 8.0-8.2.
Аноксифотобактерии выращивали анаэробно в доверху заполненных средой флаконах с завинчивающимися крышками, цианобактерии - аэробно в колбах с ватными пробками, заполненных средой на 1/4 их высоты. Все микроорганизмы культивировали при освещенности 2-3 тыс. люкс. Температура культивирования составляла 55-60°С для Chloroflexus aurantiacus B-3 и 25-30°С - для остальных бактерий. Морфологию клеток исследовали под све-
товым микроскопом Axiostar с фазовым контрастом и объективом х100.
Методы лабораторных исследований
Лабораторные эксперименты по адсорбции микроэлементов проводили в герметично закрытых стерильных 8-мл полипропиленовых флаконах при непрерывном встряхивании, в темноте при температуре 25 ± 0.5°С. Время экспозиции составляло 1 или 3 часа, что достаточно для достижения адсорбционного равновесия. Предварительные эксперименты по кинетике адсорбции Zn, Cd и Pb показали, что стабильная концентрация металла в среде достигается уже через 10-30 минут после его добавления в бактериальную суспензию и не меняется в течение минимум 6 часов. Все эксперименты проводили в 0.01 М растворе NaNO3, при концентрации микроэлементов от 10-7 М до 10-3 М. Бактериальные культуры, используемые в экспериментах, являлись живыми, но не растущими. Микроскопическое исследование бактерий до и после экспериментов свидетельствовало об отсутствии деградации (лизиса) клеток и деформации клеточных стенок. Число клеток в единице объема, о котором судили по оптической плотности бактериальной суспензии при длине волны 500 нм, также не менялось в ходе экспериментов. По окончании процесса адсорбции, суспензию центрифугировали в течение 15 минут при 20°С, 4500 g и фильтровали через мембранный фильтр 0.22 микрона, раствор подкисляли до рН ~ 2 биди-стиллированной азотной кислотой и сохраняли в холодильнике до анализа.
Биомассу бактерий определяли весовым методом после центрифугирования в течение 20 минут при 11000 об/мин, а также спектрофотометриче-ски по оптической плотности при 500 нм. Отношение сырого веса (после центрифугирования) к сухому (после лиофилизации) составляло 4.3; 12.3; 9.6 и 13.6 и для Rhodopseudomonas sp. KR-95p, Rhodobacter blasticus f-7bl, Chloroflexus aurantiacus B-3 и Aphanocapsa thermales CALU-307, соответственно.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе исследовались микробные сообщества термальных источников Центральной Камчатки района вулкана Карымский (Источники Академии наук и ручей Горячий). Исследования проводили в августе-сентябре 2002 и августе 2003 года [7]. Все источники являлись хлоридно-натриевыми, бессульфидными, нейтральными или слабощелочными (pH 7.5-8.5). Благодаря экстремальным условиям среды, в первую очередь высокой температуре, в биоте исследованных источников преобладали про-кариотные организмы. Микробные сообщества
развивались в виде так называемых микробных матов, структурную основу которых составляли нитчатые фототрофные микроорганизмы - цианобак-терии и аноксифотобактерии. Состав и структура микробных матов значительно варьировали в зависимости от физико-химических условий среды, в первую очередь, от температуры.
Для определения элементного состава были отобраны образцы биоматов, развивающихся в различных температурных зонах. Образцы № 38 (ручей Горячий) и № 40 (источники Академии наук) представляли собой зеленые "космы" (нитевидные образования, толщиной в среднем 1-5 мм, прикрепленные одним концом к грунту), развивающиеся при высокой скорости течения и температуре около 55°. Их основу составляли термофильные нитчатые цианобактерии Mastigocladus laminosus. Образец № 44 - плотный слоистый биомат желто-зеленого цвета, растущий по краю русла, на границе вода-суша, при умеренной и нестабильной температуре. С одной стороны он омывался горячей водой источника, а с другой -частично подсыхал. Его основу составляли мезо-фильные нитчатые цианобактерии, главным образом, семейства осциллаториевых. Образец № 41 представлял собой желтые "космы", развивающиеся при температуре 75-80° и высокой скорости течения. Структурную основу этих матов составляли отмершие и частично минерали
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.