= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 551.311.19/7
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АНОКСИГЕННЫХ ФОТОТРОФНЫХ БАКТЕРИЙ ЯНОВОРЗЕиВОМОтЗ SP. С КАОЛИНИТОМ
© 2013 г. Е. И. Компанцева*1, Е. Б. Наймарк**, Н. М. Боева***, А. П. Жухлистов***,
В. М. Новиков***, Н. С. Никитина****
* Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва ** Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН, Москва *** Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Москва **** Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, Москва Поступила в редакцию 28.09.2012 г.
Исследовали взаимодействие пресноводных несерных пурпурных бактерий Rhodopseudomonas 8р. И/-25р (кальдера вулкана Узон, Камчатка) с двумя образцами каолинита (месторождение Журавлиный Лог, Челябинская обл.). Показано, что все компоненты системы (минералы, вода, среда, бактерии) взаимодействовали между собой, о чем свидетельствовали изменения химического состава минералов и растворов, параметров роста бактерий, кристалломорфологических и минералогических характеристик образцов каолинита. Бактерии выводили из среды ряд элементов, используя их в процессе роста, а также способствуя их переходу в обменный пул минералов. Под влиянием бактерий происходило повышение емкости катионного обмена и насыщение каолинитов основаниями. Основной причиной повышения поглотительной способности каолинитов являлась их частичная биодеградация, которая сопровождалась упорядочиванием кристаллической структуры пластинчатой фазы каолинита. Впервые показана способность аноксифотобактерий разрушать каолинит с образованием гиббсита. Теоретическое и практическое значение полученных результатов обсуждается.
Ключевые слова: каолинит, аноксигенные фототрофные бактерии, анаэробные условия, обменные катионы, дифференциальный термический анализ, электронография, биовыщелачивание, гиббсит.
DOI: 10.7868/S0026365613030105
Актуальность изучения биокосных взаимодействий и современное состояние связанных с этим проблем обсуждались нами ранее [1—4]. Данная работа является продолжением исследований, посвященных взаимодействию анаэробных бактерий с алюмосиликатными минералами, составляющими 95% массы земной коры. Проведенные ранее исследования взаимодействия аноксиген-ных фототрофных бактерий с вулканическим пеплом [1] и различными слоистыми алюмосиликатами [2] показали, что бактерии существенно влияют на химический состав минералов, способствуют повышению их поглотительной способности и увеличению пула обменных оснований. Вместе с тем, использованные в предыдущих работах методы исследования (в частности метод рентгенодифрактометрии), в силу их недостаточной чувствительности, не позволили проследить изменения структуры и минерального состава алюмосиликатов и тем самым приблизиться к пониманию причин происходящих процессов.
1 Автор для корреспонденции (e-mail: elenamaxi@mail.ru).
В качестве минерального объекта исследования был выбран каолинит, широко распространенный вторичный минерал, который образуется в результате выветривания или гидротермального изменения слюдисто-полевошпатовых пород [5]. Каолинит [А14[814О10](ОИ)8] относится к подклассу слоистых алюмосиликатов и является одним из главных глинистых минералов. Кристаллы каолинита образованы двухслойными пакетами, состоящими из слоя алюмогидроксильных октаэдров и слоя кремнекислородных тетраэдров. Пакеты прочно связаны между собой и плотно прилегают друг к другу, не пропуская в межпакетное пространство молекулы воды и катионы металлов. В результате каолинит не набухает в воде и обладает самой низкой среди глинистых минералов емкостью катионного обмена (от 3 до 15 мг-экв 100 г-1). Для сравнения емкость катионного обмена обладающих слабыми межпакетными связями и сильно набухающих глинистых минералов группы монтмориллонита составляет от 80 до 150 мг-экв 100 г-1 [5].
323
5*
Каолинит является основным компонентом каолинов, которые по химическому и минеральному составу могут быть разделены на нормальные (бесщелочные) и щелочные (щелочесодер-жащие). Щелочные каолины, в которых каолинит ассоциируется с калиевым полевым шпатом и/или мусковитом, отличаются высоким содержанием К2О (от 1.7 до 4—6%), в то время как нормальные каолины содержат не более 0.3—0.5% К2О [6]. В качестве главной составной части каолинов каолинит имеет очень широкое практическое применение. Он используется для производства бумаги (около 50% всего добываемого каолина), резины, фарфора, фаянса, огнеупорных материалов, в медицине, парфюмерии, текстильной промышленности и др. Кроме того, каолинит является потенциальным источником получения алюминия [6].
В отличие от предыдущих работ, в которых в качестве микробиологического объекта были использованы галоалкалофильные бактерии, для данных исследований были выбраны пресноводные нейтрофильные бактерии, условия обитания которых соответствуют условиям преимущественного распространения каолинов.
В задачи данной работы входило, используя разные методы исследования, определить влияние бактерий не только на химические, но и на минералогические и кристалломорфологические характеристики исследуемых алюмосиликатов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Микробиологическим объектом исследования были несерные пурпурные бактерии Нко^рзвМото-паз Бр. UZ-25p, выделенные из пресного термального серного источника Термофильный (кальдера вулкана Узон, Камчатка). Образцы каолинов из месторождения Журавлиный Лог (Увельский район, Челябинская область, Южный Урал), самого крупного месторождения каолинов в России, были любезно предоставлены сотрудником ЦНИИГеол-неруд Б.Ф. Горбачевым. Из двух образцов каолина, нормального (образец № 08015-16) и щелочного (образец № 08028-29), методом седиментации были получены каолинитовые концентраты с размером частиц менее 0.02 мм, для удобства именуемые в дальнейшем каолинитами: каолинит 1 (К1) и каолинит 2 (К2) соответственно.
Бактерии выращивали в анаэробных условиях на свету с органическим донором электронов в присутствии и в отсутствие минералов. В качестве контроля каолиниты инкубировали также с водой и со стерильной средой. Для определения прироста биомассы и содержания пигментов фотосинтеза в качестве контроля использовали засеянную среду, инкубированную в темноте. Среда для культивирования бактерий содержала (г л-1):
0.33 КН2Р04; 0.33 N^£1; 0.33 М§С12 • 6Н20; 0.33 КС1; 0.33 Ш^04; 1.0№НС03; 0.1 СаС12 •
• 2Н20; 1 мл л-1 раствора микроэлементов. Раствор микроэлементов содержал (г л-1): 5 ЭДТА, 2 FeS04 •
• 7Н20, 0.1 ZnS04 • 7Н20, 0.03 МпС12, 0.3 Н3В03, 0.2 СоС12 • 6Н20, 0.01 СиС12, 0.02 №С12 • 2Н20, 0.02 №2Мо04 • 2Н20. Кроме минеральных соединений в среду вносили (г л-1): 1.5 ^-ацетата; 0.5 фруктозы; 0.1 дрожжевого экстракта; рН доводили до 7.0.
При подготовке эксперимента исследуемые минералы (1 г на флакон) до посева помещали во флаконы и стерилизовали с небольшим количеством воды при температуре 121°С 20 мин. Культуры и контрольные образцы инкубировали в одинаковых условиях: на свету (кроме темнового контроля роста), в доверху заполненных и плотно закрытых флаконах объемом 60 мл, при температуре 25-30°С и освещенности около 2000 люкс. Содержимое флаконов перемешивали 2 раза в сутки. Все варианты эксперимента, каждый в двух повторностях, ставили на инкубацию одновременно.
Сразу после постановки эксперимента и через 3 мес. инкубации определяли биомассу бактерий, химический состав жидкой фазы, содержание обменных катионов в исследуемых каолинитах, а также исследовали структуру и состав минералов методами дифференциального термического анализа, электронографии и электронной микроскопии.
Показателем прироста биомассы служило содержание белка в клеточной суспензии, которое определяли по Лоури [7]. Чтобы исключить влияние минералов на результаты определения, в качестве контроля использовали воду, содержащую каолинит. Для определения веса сухой биомассы была построена калибровочная кривая. О содержании бактериохлорофилла а судили по оптической плотности ацетонового экстракта, полученного из клеток, содержащихся в 5 мл клеточной суспензии. Оптическую плотность экстракта измеряли на спектрофотометре КФК-3 при длине волны 770 нм в 0.5-см кювете.
Оставшуюся после отбора проб суспензию центрифугировали и использовали для дальнейших анализов твердой и жидкой фазы. Состав обменных катионов анализировали с использованием метода Пфеффера в модификации Молод-цова и Игнатовой [8]. Концентрации Fe, Са, М§, Мп, Си, N1, Zn определяли атомно-адсорбцион-ным методом на спектрометре "AAS-3"; Р - колориметрически по Мерфи-Райли на спектрофотометре SPEK0L-221 [9]; К и № - на пламенном фотометре FLAF0-4 [10].
Минералогические и кристалломорфологиче-ские свойства каолинитов исследовали с помощью методов дифференциального термического
Таблица 1. Характеристика роста фототрофных бактерий Rhodopseudomonas 8р. И/-25р в присутствии и в отсутствие каолинитов
Без каолинита С каолинитом на свету
В темноте На свету Каолинит 1 Каолинит 2
Концентрация белка, мг л 1 6* 275 273 277
Вес сухой биомассы, г л-1 0.01 0.42 0.41 0.43
on ** 0.01 0.75 1.28 1.17
* Все значения — средний результат 4 измерений. ** Показатель содержания бактериохлорофилла а: оптическая плотность ацетонового экстракта из клеток, содержащихся в 5 мл клеточной суспензии, измеренная при длине волны 770 нм в 0.5-см кювете.
анализа (ДТА), электронографии и просвечивающей электронной микроскопии. ДТА выполнялся на приборе синхронного термического анализа STA 449 Fl Jupiter ("Netzsch", Германия), который сочетал методы дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и дифференциальной термической гравиметрии (ДТГ). Съемка проводилась при температуре 30—1050°С, скорости нагрева 10 К/мин, в атмосфере воздуха. Элек-тронограммы косых текстур исследуемых образцов каолинита были получены с помощью элек-тронографа ЭМР-102 (Украина) при ускоряющем напряжении 100 кВ и угле наклона текстуриро-ванных препаратов 60°. Дифракционные картины соответствовали участку препарата диаметром 2.5 мм. Морфологию кристаллов исследовали также с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100 при уск
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.