ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.26:57.025
ВЗАИМОДЕИСТВИЕ ЦИАНОБАКТЕРИИ С ВУЛКАНИЧЕСКИМИ ПЕПЛАМИ
© 2013 г. Л. М. Герасименко*, ^ В. К. Орлеанский*, Г. А. Карпов**, Г. Т. Ушатинская***
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва **Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский ***Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН, Москва Поступила в редакцию 31.01.2012 г.
На примере двух осциллаториевых цианобактерий, выделенных из разных мест обитания, показана возможность их роста в водных суспензиях вулканических пеплов. Динамика роста зависит от физических и химических характеристик пеплов, рН среды. В процессе роста цианобактерий происходит выщелачивание ряда элементов как стимулирующих, так и ингибирующих их рост. Вышедшие в раствор элементы могут адсорбироваться на слизистых чехлах и минерализовать трихомы. Выделяемые цианобактериями внеклеточные полисахариды способствуют связыванию частичек пеплов и изменению их состава. Эти примеры позволяют проводить аналогию между процессами, которые происходят в настоящее время в вулканогенных областях с процессами биогенного выветривания на вулканическом грунте в начальный период развития жизни на Земле.
Ключевые слова: вулканические пеплы, цианобактерии, выщелачивание, минерализация.
DOI: 10.7868/S0026365612060067
В настоящее время большое внимание уделяется изучению биогенного выветривания горных пород и минералов, которое происходит под влиянием деятельности различных микроорганизмов и продуктов их метаболизма [1, 2]. Исследование вулканических пеплов, с этой точки зрения, представляет особый интерес, так как в данном случае мы имеем дело с веществом, которое впервые непосредственно поступает в биосферу из недр Земли и является исходным материалом для процессов вулканогено-осадочного литогенеза и почвообразования.
Работы по взаимодействию микроорганизмов и пеплов — единичны. Т.Д. Брок констатировал факт обрастания пеплов цианобактериями [3], Е.П. Пименов описал разнообразие микроорганизмов, развивающихся на пеплах [4]. Т.И. Кузя-киной проведено изучение пеплов, отобранных во время извержений на нескольких вулканах [5]: Тятя, 1973 г. (о. Кунашир, Курильские о-ва); Тол-бачик (Камчатка), Большое трещинное Толба-чинское извержение, Северный прорыв, 1975 г.; Алаид (о. Атласова, Курильские о-ва), 1981 г.; Безымянный (Камчатка), 1980 г. Автором было показано, что в исследуемых образцах свежевы-павших пеплов бактерии практически отсутствуют, пеплы оказались стерильными. При проведе-
1 Автор для корреспонденции (e-mail: L_Gerasimenko@mail.ru).
нии опытов по выяснению пригодности таких пеплов для заселения бактериями было показано, что их рост отсутствовал и на стерильных, и на нестерильных пеплах. По мнению автора, свежие вулканические пеплы неблагоприятны для жизнедеятельности микроорганизмов из-за присутствия токсичных для них веществ [5]. С другой стороны, Г.А. Карпов с соавт. описывают активное развитие циано-бактериальных матов в озере Карымское в результате изменения состава воды при обильном пеплопаде во время извержения вулкана Карымский [6].
При проведении экспериментальных работ с аноксигенными фотосинтезирующими бактериями было выявлено стимулирующее действие вулканических пеплов на рост этих бактерий [7]. Продукты жизнедеятельности бактерий образуют с пепловым субстратом минерально-органические комплексы. Возможно, это начальный этап образования глинистых минералов из вулканических пеплов.
Пеплы бедны источниками энергии и питательными веществами. Среди микроорганизмов, оседающих на пеплах из воздуха, попадающих с атмосферными осадками и при таянии снега, могут выжить только те, которые обладают экономным метаболизмом и приспособились к "бедным" условиям существования. К таким относится эколого-трофическая группа олиготрофных и
115
8*
факультативно-олиготрофных микроорганизмов [4, 5]. Можно полагать, что цианобактерии (как фотосинтетики и азотфиксаторы), способные к росту в самых экстремальных условиях, также могут участвовать в трансформации вулканических пеплов.
Целью настоящих исследований было выяснить, могут ли пеплы являться субстратом, благоприятным для роста цианобактерий, могут ли ци-анобактерии участвовать в трансформации пеп-лов; происходит ли в присутствии пеплов минерализация цианобактерий.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В эксперименте использовались альгологиче-ски чистые культуры цианобактерий (из рабочей коллекции лаборатории реликтовых микробных сообществ ИНМИ РАН) из двух различных мест обитания: ОзсПШопа 1еггЪг1/огт1$, выделенная из гидротерм Узона (Камчатка), растущая при нейтральных значениях рН 7.8 (нейтрофильный штамм), и Ркогт1йшт 8р., выделенная из содового озера Хилганта (Бурятия), растущая при рН 10 (алкалофильный штамм). Цианобактерии предварительно выращивали на оптимальных для них средах. Через 5 сут биомассу цианобактерий собирали на планктонную сетку, трижды отмывали водой, растирали в фарфоровой ступке до получения однородной суспензии, и вносили по 5 мл густой суспензии в сосуды с 50 мл среды или стерильной дистиллированной воды, содержащей 1 г порошка пепла. Культивирование проводили при освещении 2 тыс. лк и температуре 28°С.
Опыт ставили в четырех вариантах: 1 — ци-анобактерии выращивали на оптимальных для них средах: Оз. 1еггЪг1/огт1з на среде Заварзина [8], Ркогт1йшт 8р. на среде М [9]; 2 — цианобактерии выращивали на дистиллированной воде с добавлением одинаковой навески порошков пепла; 3 — цианобактерии выращивали на дистиллированной воде без пепла и 4 — дистиллированная вода с пеплами без цианобактерий. Для достижения условий, нужных для роста алкалофильного штамма, в вариантах 2, 3, 4 в дистиллированную воду добавляли: 3 г/л №НС03; 17 г/л №2С03; 30 г/л №С1. Результаты фиксировали через 0.5, 1.5, 2 и 3.5 месяца.
О характере роста цианобактерий судили визуально — по скорости разрастания по поверхности чашки, и микроскопически. Поскольку прирост биомассы нельзя определить по сухой биомассе из-за присутствия тонкодисперсных частичек пепла, не отделяющихся при центрифугировании, скорость роста оценивали спектрофотомет-рически по относительному содержанию хлорофилла "а", при длине волны 665 нм (КФК-3, Россия). Для этого содержимое сосуда с пеплом и
цианобактериями взбалтывали, и взмученную массу аккуратно сливали в чашку Петри. Цианобактерии (нитчатые), имеющие тенденцию к образованию пленки, оставались в сосуде. Для определения ОП эту биомассу заливали 10 мл 80% этилового спирта, и определение ОП при X = 665 нм проводили через сутки. Осадок с пеплом после трехкратного промывания дистиллированной водой и центрифугирования высушивали для анализа. Процентное изменение элементного состава порошков пеплов после взаимодействия с ци-анобактериями определяли относительно порошков пеплов, содержащихся в таких же условиях, но без цианобактерий.
Изменение рН в ходе опыта определяли на рН-метре Эксперт 001 (Россия). Микроскопирование проводили на световом микроскопе Ngob-6 и сканирующем микроскопе CamScan-4, Cambridge, с микроанализатором Link-860.
Порошки пеплов, отобранные Г.А. Карповым сразу после извержения камчатских вулканов: Карымского в 2008 г. (пепел № 1 — номер образца 5251), в 2003 г. (пепел № 3 — номер образца 4495), Безымянного в 2006 г. (пепел № 2 — номер образца 5203), различаются по химическому составу и содержанию макро- и микроэлементов (табл. 1, 2) Анализы пеплов, представленные в табл. 1 и 2, выполнены методом рентгено-флуоресцентной спектроскопии в Аналитическом центре Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (аналитики Н.И. Чеброва, В.М. Рагулина, В.В. Ду-нин-Барковская). Для приготовления водной вытяжки 100 г пепла настаивали в течение суток в 1л воды.
Гравиметрический состав пеплов определяли как описано в работе [10].
Химические анализы валового содержания элементов в порошке пеплов в лабораторных опытах осуществлены на спектрометре в Центре коллективного пользования научного оборудования ИФХиБПП РАН (Спектроскан МАКС-GV, оператор П.И. Калинин).
В работе приведены усредненные данные, полученные в опытах, которые проводили в 3 по-вторностях и 3 параллельных вариантах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Динамика роста цианобактерий на разных пеплах была различной (рис. 1, 2). Так, на 10-й день развитие Oscillatoria terebtiformis (рис. 1) на пеплах 1 и 3 отличалось от роста на оптимальной среде незначительно, в то время как на пепле 2 оно было таким же слабым, как и на воде. Через 15 дней рост на пеплах 1 и 3 ослабевал, но был лучше, чем на воде. В дальнейшем происходила остановка роста на всех пеплах, но морфологическая картина культуры на разных пеплах была различной.
Таблица 1. Содержание макроэлементов в вулканических пеплах(%)
Таблица 2. Содержание микроэлементов в вулканических пеплах (мкг/кг)
Окислы 5251 Пепел № 1 5203 Пепел № 2 4495 Пепел № 3 Элементы 5251 Пепел № 1 5203 Пепел № 2 4495 Пепел № 3
59.95 63.13 62.66 N1 9 434 25.4
ТЮ2 0.85 0.96 0.98 Си 38 95 49.2
7п 81 102 59
А1203 15.36 15.47 16.42
Оа 23 20 9
6.53 7.67 1.84 Аз - - 16.1
Fe0 - - 4.14 са - - 0.19
МБ° 0.79 0.88 0.15 РЬ 14 5 28.6
Са° 6.32 6.41 2.11 Rb 26 26 28.6
№2° - - 4.89 Sr 432 415 210
К2° 1.43 1.53 4.27 У 30 31 -
0.96 7г 165 176 -
Т1°2 0.85 -
Sn - - 0.82
Р2°5 0.052 0.059 0.21 Сз - - 31.6
Мп°2 0.125 0.136 0.13 Sb - - 13.8
' —" — не определяли.
не обнаружены.
На пепле 2 продолжалась постепенная деградация нитей цианобактерий, на пепле 3 нити были погружены в слизистый мешок. На пепле 1 на 20-е сут сформировался слоистый мат, что обеспечило жизнеспособность части цианобактерий и дало возможность дальнейшего их развития. Через 1.5 мес. образовалось устойчивое сообщество с ясно выраженной слоистой структурой, с живыми нитями цианобактерий в верхнем слое и минерализованными прослоями внутри мата (рис. 3в). На пепле 3, несмотря на отсутствие ро-
ста в месячной культуре, цианобактерии все же оставались жизнеспособными. Под световым микроскопом среди большого скопления слизи были хорошо видны ярко окрашенные нити цианобактерий, которые чере
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.