научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАЛОАЛКАЛОФИЛЬНЫХ ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ RHODOVULUM STEPPENSE С АЛЮМОСИЛИКАТНЫМИ МИНЕРАЛАМИ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАЛОАЛКАЛОФИЛЬНЫХ ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ RHODOVULUM STEPPENSE С АЛЮМОСИЛИКАТНЫМИ МИНЕРАЛАМИ»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2011, том 80, № 5, с. 637-643

= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =

УДК 551.311.19/7

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАЛОАЛКАЛОФИЛЬНЫХ ПУРПУРНЫХ БАКТЕРИЙ ЯИОВОУиьиМ БТЕРРЕЖЕ С АЛЮМОСИЛИКАТНЫМИ МИНЕРАЛАМИ © 2011 г. Е. И. Компанцева*, 1, Е. Б. Наймарк**, А. В. Комова*, Н. С. Никитина***

**Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н.Виноградского РАН, Москва *Учреждение Российской академии наук Палеонтологический институт РАН, Москва ***Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, Москва Поступила в редакцию 23.09.2010 г.

Исследовали взаимодействие галоалкалофильных несерных пурпурных бактерий Rhodovulum $1еррете Л-208Т со слоистыми алюмосиликатами: слюдами (биотит, флогопит, мусковит) и глинистыми минералами (монтмориллонит, каолинит). Показано, что все компоненты системы (минералы, вода, среда, бактерии) взаимодействовали между собой, о чем свидетельствовали изменения химического состава минералов и растворов. Особенно значительные изменения наблюдались в присутствии бактерий. Бактерии выводили из среды ряд элементов, используя их в процессе роста, а также способствуя их переходу в обменный пул минералов. В алюмосиликатах, инкубированных в присутствии бактерий, содержание обменных оснований многократно возрастало по сравнению с минералами, инкубированными в стерильной среде. Зафиксированное в данном эксперименте насыщение минеральной фазы калием и магнием можно рассматривать как начальную фазу диагенеза исследованных алюмосиликатов.

Ключевые слова: алюмосиликаты, аноксигенные фототофные бактерии, галоалкалофилы, анаэробные условия, обменные катионы.

Рост интереса к изучению роли микроорганизмов в трансформации горных пород связан с двумя основными причинами. Во-первых, с глобальностью и масштабностью этого взаимодействия. Биомасса микроорганизмов больше суммарной биомассы всех других живых существ планеты [1]. Микробный метаболизм чрезвычайно разнообразен, позволяет жить практически в любых земных условиях и так или иначе трансформировать соединения большинства известных элементов. Вторая причина связана с интенсивным изучением архейских и протерозойских пород. Самые ранние породы:, предположительно свидетельствующие о прока-риотной жизни на Земле, датированы 3.8 млрд. лет, то есть "всего лишь" на 0.2 млрд. лет позже, чем возраст первых известных осадочных пород [2]. По-видимому, бактерии были включены в геохимический круговорот планеты практически с самого начала ее становления.

В настоящее время теория биокосных взаимодействий находится в стадии становления, идет интенсивное накопление данных. Много работ посвящено участию микроорганизмов в генезе, трансформации и разрушении минералов, и число таких исследований постепенно увеличивается. Следует отметить, что результаты экспериментов бывают противоречивы и варьируют в широких пределах в зависимости от природы минерала, вида микроор-

1 Адрес для корреспонденции (e-mail: elenamaxi@mail.ru).

ганизма и условий среды. Однако в целом анализ опубликованных данных [3, 4] позволяет заключить, что бактерии осуществляют все возможные абиотические реакции, связанные с минералами, с той лишь разницей, что с участием бактерий эти реакции идут намного быстрее и, кроме того, не требуют специальных условий (высокое давление, температура и др.), часто необходимых для их протекания абиотическим путем. Таким образом, бактерии выступают как катализатор геохимических процессов.

Данная работа является частью исследований, посвященных взаимодействию бактерий с силикатными минералами в анаэробных условиях [5]. Минералы класса силикатов и алюмосиликатов составляют 95% массы земной коры. Все магматические, многие метаморфические и осадочные горные породы в основном сложены минералами этой группы. Исследуемые в данной работе минералы подкласса слоистых алюмосиликатов (слюды, глинистые минералы) входят в состав горных пород всех типов. Они в значительных количествах присутствуют в почвах и во многом определяют их химические (буферность, способность к ионному обмену и др.) и физические (вязкость, гигроскопичность и др.) свойства [6]. Выбор анаэробных галоалкалофильных бактерий связан, с одной стороны, с малочисленностью таких данных, а с другой — с масштабностью анаэробного биовыветривания и в настоящее время, и особенно в геологическом прошлом, когда кислород отсутствовал, а бактерии

уже существовали. Кроме того, по современным представлениям обитатели щелочных водоемов могли быть одними из первых живых организмов планеты [7].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Микробиологическим объектом исследования были галоалкалофильные несерные пурпурные бактерии Rhodovulum steppense A-20sT, выделенные из соленого содового озера Хилганта (Забайкалье) [8, 9]. Исследовали взаимодействие культуры Rdv. steppense A-20sT со слоистыми алюмосиликатными минералами: слюдами (биотит, мусковит, флогопит) и глинистыми минералами (монтмориллонит, каолинит). Образцы исследуемых минералов были получены из коллекции Государственного геологического музея им. В.И. Вернадского РАН. Бактерии выращивали в анаэробных условиях на свету с органическим донором и акцептором электронов в присутствии и в отсутствие минералов. В качестве контроля алюмосиликаты инкубировали также с водой или со средой, но без бактерий.

Среда для культивирования бактерий содержала (г л-1): 0.33 KH2PO4; 0.33 NH4Cl; 0.33 MgCl2 • 6H2O; 0.33 KCl; 0.33 Na2SO4; 5.0 NaHCO3; 10.0 NaCl; 1 мл л-1 раствора микроэлементов. Раствор микроэлементов содержал (г л-1): 5 ЭДТА, 2 FeSO4 • 7H2O, 0.1 ZnSO4 • 7H2O, 0.03 MnCl2, 0.3 H3BO3, 0.2 CoCl2 •

• 6H2O, 0.01 CuCl2, 0.02 NiCl2 • 2H2O, 0.02 Na2MoO4 •

• 2H2O. Кроме минеральных соединений, в среду вносили 2.0 г л-1 Na-ацетата; 0.1 г л-1 дрожжевого экстракта; рН доводили до 7.8. В момент постановки опыта и через 2.5 месяца инкубации определяли количество биомассы, проводили рентгенодифрак-тометрические и микроскопические исследования, а также определяли химический состав жидкой фазы и содержание обменных катионов в исследуемых минералах.

При подготовке эксперимента исследуемые минералы (0.5 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, 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 по-вторностях, ставили на инкубацию одновременно.

Показателем прироста биомассы служило содержание белка в клеточной суспензии, которое определяли по Лоури [10]. Чтобы исключить влияние минералов на результаты определения, в качестве контроля использовали воду, содержащую тот или иной минерал. Для перевода полученных данных в другие показатели прироста биомассы (оптическая плотность клеточной суспензии, вес сухой биомас-

сы) были построены соответствующие калибровочные кривые. О содержании бактериохлорофилла a 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.

Морфологию клеток исследовали при помощи светового микроскопа Olympus BX-41 с фазовым контрастом.

Минералогический состав алюмосиликатов исследовали на рентгендифрактометре ДРОН-5.

Оставшуюся после отбора проб суспензию центрифугировали и использовали для химических анализов воды и минералов. Методы химического анализа были следующими. Валовой элементный состав образцов алюмосиликатных минералов определяли рентгенофлуоресцентным методом. Состав обменных катионов пепла анализировали с использованием метода Пфеффера в модификации Молодцова и Игнатовой [11]. Концентрации Fe, Ca, Mg, Mn, Cu, Ni, Zn определяли атомно-адсорб-ционным методом на спектрометре "AAS-3"; Р -колориметрически по Мерфи и Райли на спектрофотометре "SPEKOL-221" [12]; К и Na - на пламенном фотометре FLAFO-4 [13].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияние алюмосиликатов на рост бактерий

Прирост биомассы бактерий, измеренный по содержанию белка, был примерно одинаков как в присутствии всех исследованных алюмосиликатов, так и в контроле без минералов (табл. 1). Однако содержание бактериохлорофилла a в культурах, выращенных на средах с алюмосиликатами, в среднем в полтора раза превышало его содержание в контрольных культурах, выращенных без минералов (табл. 1). Очевидно, это связано с недостатком света из-за затенения бактерий частицами минералов. Поскольку в присутствии алюмосиликатов бактерии находились в условиях меньшей освещенности и были вынуждены синтезировать дополнительное количество пигментов фотосинтеза, следует предположить, что при одинаковых условиях освещения прирост биомассы в присутствии минералов был бы выше, чем в контроле. Таким образом, исследованные алюмосиликаты, очевидно, положительно влияли на развитие бактерий.

Клетки бактерий Rhodovulum steppense A-20s, выросшие на среде с алюмосиликатами и без них, имели сходную, типичную для этого штамма морфологию и представляли собой прямые палочки размером 0.5-0.7 х 0.8-1.4 мкм. Правда, на среде с глинистыми минералами - монтмориллонитом и каолинитом - бактерии отличались несколько более удлиненной формой.

Таблица 1. Характеристика роста фототрофных бактерий Rhodovulum steppense А-208Т в присутствии алюмосили-катных минералов

Без минералов С минералами на свету

в темноте на свету биотит флогопит мусковит монтмориллонит каолинит

Концентрация белка, мг л 1 7* 250 242 248 258 240 234

Вес сухой биомассы, г л-1 0.01 0.38 0.36 0.37 0.39 0.36 0.35

пп ** 0.01 0.70 1.00 1.05 0.94 1.15 1.25

* 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.

Таблица 2. Валовый элементный состав исследуемых слоистых алюмосиликатов

Макроэлементы, %

Микроэлементы, мкг л 1

биотит флогопит мусковит

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.

Показать целиком