ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 430, № S, с. 67S-680
= ГЕОХИМИЯ
УДК 549.12:582.232:553.78
МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ В ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫХ МАТАХ ЩЕЛОЧНЫХ ГИДРОТЕРМ БАРГУЗИНСКОЙ ВПАДИНЫ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ
© 2010 г. Е. В. Лазарева, А. В. Брянская, С. М. Жмодик, С. З. Смирнов, О. П. Пестунова, Д. Д. Бархутова, Е. В. Полякова
Представлено академиком Н.Л. Добрецовым 22.04.2009 г. Поступило 12.05.2009 г.
Первые находки литифицированных остатков цианобактерий, сохранившихся в геологических отложениях, датируют 3.6 млрд. лет. Наиболее значительное по масштабам формирование стро-матолитовых отложений связано с широким распространением цианобактериальных матов и зафиксировано в периоды 2 и 1 млрд. лет [1, 2]. В современном мире цианобактериальные маты вытеснены в экстремальные условия обитания. Таковыми являются места разгрузки гидротермальных источников, где развиваются термофильные сообщества. Многочисленные выходы термальных вод сосредоточены в Баргузинской впадине Байкальской рифтовой зоны [3—5]. Источники представляют собой щелочные кремнистые термы с преобладанием в газовом составе азота. Во-довмещающими породами являются трещиноватые разнозернистые граниты или гранодиориты. Наличие микробных сообществ установлено во всех местах разгрузки источников термальных вод [6], которых насчитывается в Баргузинской впадине более 10. Однако на выходе только трех источников (Аллинского, Гаргинского и Гусихин-ского) формируются травертины [7]. Образование наиболее мощной карбонатной (траветрино-вой) постройки Гаргинского источника связыва-
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
Институт цитологии и генетики
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Новосибирск
Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
Институт общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения Российской Академии наук, Улан-Удэ
Институт неорганической химии
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Новосибирск
ют непосредственно с деятельностью микробного сообщества [В]. Однако до настоящего времени не описаны минералы, формирующиеся непосредственно в цианобактериальных сообществах на выходе гидротермальных источников Баргузинской впадины. Авторы исследовали сообщества пяти источников: Аллинского, Кучигерско-го, Умхейского (правый борт), Гаргинского и Уринского (левый борт). Отложение аморфного кремнезема и кальцита установлено в сообществах Аллинского и Гаргинского источников — именно там, где наблюдается образование травертинов. Цель данного исследования — определение морфологических особенностей и закономерностей образования минералов, формирующихся в микробных сообществах.
Отобранные в 2007 и 200В гг. пробы вод источников и ручьев, в которые разгружаются источники, фильтровались через мембранные фильтры (0.45 мкм); на месте определялись Eh, pH (прибор Анион 4100), O2 и HS- (тесты MERCK, Германия). Состав вод определялся комплексом методов с контролем результатов: атомно-эмиссионной спектрометрии, ИСП-МС, капиллярного электрофореза, атомной абсорбции. Пробы микробных матов упаковывались с сохранением структуры, а в лабораторных условиях разделялись на слои и сушились. Изучение состава микробных сообществ, микроморфологии и качественного состава минеральных фаз проводилось при помощи оптических микроскопов фирмы "Carl Zeiss" (Axiolab 40 Pol и Axio Imager, Германия) и с применением сканирующего электронного микроскопа Leo Oxford 1430VP (Германия) (операторы С.В. Летов и А.Т. Титов).
Воды Аллинского источника имеют Na— HCO3—SO4-состав, температуру в месте выхода 75°C, pH 9.7, общую минерализацию 0.45 г/л. Содержание кремния 46 мг/л, сероводорода 33 мг/л, радона не более 4 эман. Характерной чертой гидротерм Баргузинской впадины является устойчиво высокое содержание фтора [4, 9], концентра-
675
7*
ция которого в водах Аллинского источника составляет 16 мг/л. В микроэлементном составе преобладают щелочные и щелочноземельные элементы: Li, Rb, Sr, Cs, Ba и, в меньшей мере, анионогенные Ge, Mo, W. Правобережный источник представлен несколькими гидротермальными выходами, расположенными на дне и в бортах протоки р. Алла, воды которой имеют Ca— НС03-состав, что определяет резкие колебания физико-химических параметров по изливу.
По дну протоки на значительной площади распространены микробные сообщества, развитие которых зависит от температуры, рН и содержания HS-. Было выделено несколько типов микробных сообществ: по основному структурному/доминирующему компоненту и по внешнему виду/характеру образований. При температурах выше 55°С развиваются Phormidium spp. и зеленая нитчатая бактерия Chloroflexus aurantiacus, которые непосредственно рядом с выходом формируют особый тип структурированных микробных обрастаний, называемых микробными матами [10]. Толщина данного мата не более 1.5 см с выраженным преобладанием нитчатых бактерий (сообщество Chloroflexus) [6]. При понижении температуры до 40—45°С доминирующее положение занимают виды рода Phormidium, в частности Ph. tenue и Ph. laminosum, которые формируют более тонкие пленки (сообщество Phormidium). С падением температуры до 35°С (в интервале 35— 20°С) развиваются обрастания хемолитотрофных сероокисляющих бактерий р. Thiothrix, с незначительным содержанием в них цианобактерий и диатомовых водорослей (сообщество Thiothrix). И при наиболее низких температурах (<20°С) образуются сообщества, в которых в качестве эдифи-катора выступает Scytonema sp. В этой температурной зоне отмечено максимальное разнообразие диатомовых водорослей и цианобактерий. На момент отбора проб данное сообщество уже было частично разложившимся.
Сульфатно-натриевые воды Гаргинского источника имеют минерализацию 1 г/л, характеризуются отсутствием сероводорода в растворе, содержанием радона около 30 эман, кремния 30 мг/л, фтора 11 мг/л. Температура в месте выхода 77°C, pH 8.2. Содержание микроэлементов выше, чем в водах Аллинского источника. Источник расположен на склоне и у его выхода развит купол карбонатной постройки мощностью 2—3 м, традиционно называемой травертином [7, 8], на котором и располагается микробное сообщество. Начиная с температуры 60 и до 40°С, интенсивно развивается толстый (до 7 см) структурированный ци-анобактериальный мат с доминированием Phor-midium angustissimum. В мате выделяются отдельные тонкие слои с преобладанием Mastigocladus laminosus. В целом же видовое разнообразие организмов в сообществах Гаргинского источника по
сравнению с совокупным видовым разнообразием сообществ Аллинского источника невелико и представлено в основном цианобактериями. В верхних слоях Гаргинского мата количество ци-анобактерий выше, чем в нижних, соседствующих с зоной деструкции. При изменении русла ручья мат высыхает и "мумифицируется", превращаясь в тонкие ленты (толщиной 2—3 мм), остающиеся отделенными от поверхности травертина.
Установлено, что в пределах микробных сообществ Аллинского и Гаргинского источников отлагаются аморфный кремнезем и кальцит. Образование самородной серы характерно только для сообщества сероокисляющих бактерий р. 1Ыо-Шпх, на Аллинском источнике. Образование субмикронных шаров самородной серы начинается еще внутри живых нитей ТЬ^клх (рис. 1а), т.е. отложение серы происходит благодаря жизнедеятельности сероокисляющих бактерий, а именно процессу хемосинтеза [11]. После гибели бактерий шары слипаются (рис. 1б), образуя агрегаты. Эти агрегаты становятся зародышами для дальнейшего роста остробипирамидальных кристаллов самородной серы (рис. 1в). В сообществе ТЫо&пх встречаются чехлы, сложенные серой, соответствующие размеру нитей цианобактерий рода РИогт1ёшт. Сам чехол служит зародышем для дальнейшего роста индивидов серы. За пределами области развития бактерий р. ТЬ^клх индивиды и агрегаты самородной серы не наблюдаются. Большинство цианобактерий окисляют сульфидную серу с образованием 8°, которая выпадает снаружи клетки или остается прикрепленной в виде дисперсных частиц на слизистом чехле [12].
В пределах микробных матов встречены кремнистые образования биогенного происхождения — микрофоссилии и створки диатомовых водорослей. Первые особенно редки. Микроскопические исследования позволили установить, что кремнезем главным образом содержится в микробных матах в околоклеточном пространстве в виде хлопьевидных агрегатов частиц субмикронного размера. Известно, что оседание этих частиц на поверхности цианобактерий приводит к окремне-нию их чехлов [13]. В нижних слоях мата, сложенного сообществом СЫогоЯехш Аллинско-го источника, очень редко можно наблюдать кремнистые чехлы и микрофоссилии. В верхнем же слое кремнистые чехлы на нитях цианобакте-рий встречаются чаще, но в основном хлопья кремнезема отлагаются в пространстве между живыми организмами (рис. 2а). Максимальная глубина отложения хлопьев составляет 2 мм и ниже они не встречаются. Сверху мат покрыт плотной коркой аморфного кремнезема (рис. 2б). Окрем-ненный слой образуется в результате выпадения кремнезема при испарении горячего термального раствора с поверхности микробного мата. Анало-
Рис. 1. Самородная сера в микробном сообществе Thiothrix Аллинского источника: а — шаровидные частицы серы в нитях Thiothrix и б — в пространстве между ними, в — агрегаты серы. Фото — оптический микроскоп, проходящий свет.
гичные выпадения кремнезема наблюдаются на валунах. Участки окремнения установлены также в "мумифицированном" мате Гаргинского источника, но по наличию кремнистых чехлов на нитях цианобактерий следует полагать, что отложение SiO2 началось при жизни сообщества (рис. 2в).
Кальцит формируется внутри микробных сообществ на тех источниках, где содержание кальция в питательном растворе достаточно высоко. Растворы Кучигерского, Умхейского и Уринского
Рис. 2. Характер выделения кремнезема в микробных матах Аллинского и Гаргинского источников: а — хлопьевидные агрегаты частиц аморфного кремнезема в мате Chloroflexus и кремнистый чехол, сформировавшийся по нити цианобактерии; б — окремненные чехлы и плотная корочка кремне
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.