MICROORGANISMS OF DIFFERENT FUNCTIONAL GROUPS IN OCCURRENCE OF MALKIN COLD ACIDULOUS WATER (KAMCHATKA, RUSSIA)

Калитина Е.Г.¹, Харитонова Н.А², Вах Е.А.³

¹ORCID: 0000-0001-6654-8165, кандидат биологических наук, ²ORCID: 0000-0003-1949-9481, доктор геолого-минералогических наук,

Дальневосточный геологический институт Дальневосточное отделение Российской Академии Наук

³Кандидат геолого-минералогических наук,

Дальневосточный Федеральный Университет

МИКРООРГАНИЗМЫ РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП В МЕСТОРОЖДЕНИИ МАЛКИНСКИХ ХОЛОДНЫХ УГЛЕКИСЛЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД (КАМЧАТКА, РОССИЯ)

Аннотация

В статье представлены данные о распространении, структуре и численности микроорганизмов различных функциональных групп в месторождении Малкинских холодных углекислых минеральных вод (Камчатка). Результаты исследований выявили присутствие в углекислых минеральных водах разнообразной микрофлоры, которая способна преобразовывать физико-химический состав минеральных вод, участвуя в геохимических циклах. В подземных водах значительно преобладали хемолитоавтотрофные железоокисляющие бактерии, которые были способны окислять двухвалентное железо до его трехвалентной формы. Дана оценка качества углекислых минеральных вод по санитарно-микробиологическим показателям.

Ключевые слова: микроорганизмы, функциональные группы, углекислые воды, численность.

Kalitina E.G.¹, Haritonova N.A², Bah E.A.³

¹ORCID: 0000-0001-6654-8165, PhD in Biology, ²ORCID: 0000-0003-1949-9481, PhD in Geology and Mineralogy,

Far East Geological Institute, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

³PhD in Geology and Mineralogy,

Far Eastern Geological University

MICROORGANISMS OF DIFFERENT FUNCTIONAL GROUPS IN OCCURRENCE OF MALKIN COLD ACIDULOUS WATER (KAMCHATKA, RUSSIA)

Abstract

This article represents data on distribution, structure and abundance of various functional groups of microorganisms in the Malkin cold acidulous water (Kamchatka). The results of the studies have revealed the presence of a diverse microflora in the carbonic mineral waters that is able to transform the physical and chemical composition of mineral waters by participating in geochemical cycles. Hemolitoautotrofic iron-oxidizing bacteria that were able to oxidize the bivalent iron to its trivalent form have been significantly prevailed at the groundwater. The estimation of acidulous waters quality is given due to sanitary and microbiological indicators.

Keywords: microorganisms, functional groups, acidulous waters, abundance.

Наиболее крупным и известным месторождением холодных углекислых минеральных вод полуострова Камчатка является Малкинское, расположенное в Елизовском административном районе Камчатского края РФ. Химический состав Малкинских углекислых минеральных вод и их генезис был изучен достаточно детально [7, С. 529-534], [9, С. 66-75] однако механизмы формирования многих геохимических типов вод все еще остаются не раскрытыми. В последние годы появилось большое число работ показывающих, что микробиологические процессы активно изменяют гидрогеохимическую систему и частично преобразовывают физико-химические свойства подземных вод и пористое пространство водовмещающих пород  [3,С. 66-67] [8, С.107-108] [10, С. 490].

Поскольку минеральные воды активно используются в бальнеологических целях, необходимо проводить не только исследования химического состава минеральных вод, но также осуществлять микробиологический мониторинг данных вод с целью выявления естественной и болезнетворной микрофлоры.

Так как в литературе отсутствуют данные о распространении микроорганизмов в Малкинских холодных углекислых водах (Камчатка) целью работы было изучить распространение, структуру и численность различных эколого-трофических групп бактерий, а также оценить уровень микробиологического загрязнения углекислых минеральных вод и условия обитания бактерий.

В качестве объектов исследования выбрано месторождение холодных углекислых минеральных вод Малкинское (Камчатка), которое расположено на правом берегу реки Быстрая у подошвы Малкинского хребта недалеко от п.  Малки (рис. 1). Минеральные воды самоизливаются из скважины и по химическому составу относятся к углекислым железисто-гидрокарбонатно-натриевым водам с минерализацией 3,0-3,8 г/л. Пробы минеральных вод отбирали из скважины №14 в условиях стерильности в стеклянные бутыли объемом 1500 мл в трех повторностях. Отбор проб воды осуществляли в октябре 2013 года.  Нестабильные показатели химического состава (рН,  минерализация и температура) измерялись непосредственно на месте. Водные пробы фильтровались через целлюлозный фильтр, с размером пор 0,45 мкм, и собирались в пластиковые пробирки. Пробы для анализа содержаний в воде микрокомпонентов, дополнительно консервировались (азотная кислота), их определение выполнено с помощью масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой Agilent 7500c (Agilent Technologies, Inc., USA).

Для выявления и культивирования бактерий использовали традиционные методы практической микробиологии [6, С. 45-61]. Численность физиологических групп бактерий определяли методом предельных разведений, количество санитарно-показательных микроорганизмов учитывали методом Коха согласно МР № 96/225-1997 методом мембранной фильтрации [5, С. 1-18] [6, С. 45-61]. Численность бактерий определяли на специально подобранных селективных средах [4, С. 111-205]. Идентификацию микроорганизмов проводили по определителю Берджи.

Рис. 1 – Карта-схема местоположения месторождения Малкинских холодных углекислых вод, Камчатка

 

Результаты показали, что Малкинские воды являются холодными (t=10,0⁰C), маломинерализованными (3,33 г/л), кислыми (рН=6,37). Преобладающим катионом является натрий (1055,00 мг/л), затем следуют кальций (81,70 мг/л) и магний (54,52 мг/л) (табл. 1). Среди анионов преобладает хлор-ион (598,00 мг/л), сульфат-ион (2,63 мг/л). Среди микроэлементного состава превалирует железо (12922,00 мкг/л), литий (3171,80 мкг/л), и стронций (1494,60 мкг/л). Содержание марганца достигает 303,10 мкг/л, а бериллий и хром находятся в мизерных количествах (табл.1).

 

Таблица 1 – Содержание катионов и анионов, а также микроэлементов в  Малкинских холодных углекислых минеральных водах Камчатки

Катионы, мг/л	B	Ca	K	Mg	Na	Si
	17,82	81,70	37,19	54,52	1055,00	51,90
Анионы, мг/л	F	Cl	NO2	NO3	Br	SO4
	0	598,00	0	0	0,36	2,63
Микроэлементы, мкг/л	Li	Be	Al	Cr	Mn	Fe
	3171,8	0,14404	9,09	0,288	303,10	12922,00
	As	Se	Rb	Sr	Cs	Ba
	37,65	0,611	143,10	1494,60	16,97	533,70

 

Результаты микробиологических исследований показали, что количество бактерий различных эколого-трофических групп в углекислых водах было в среднем не высоко и варьировало от 0 до  9,5×10³  кл/мл, что совпадало с полученными нами ранее результатами для холодных углекислых минеральных вод Приморского края [2, С. 53-62]. В Малкинских подземных водах значительно преобладали хемолитоавтотрофные железоокисляющие бактерии, которые были способны окислять двухвалентное железо до его трехвалентной формы (табл. 2). По физиолого-биохимическим свойствам выделенные бактерии были близки к Thiobacillus ferooxidans. Гетеротрофных железо и марганец окисляющих бактерий в углекислых водах отмечено не было, что вероятно связано с низким количеством органического углерода в воде (12 мг/л). Численность хемолитотрофных тионовых бактерий, осуществляющих окисление восстановленных соединений серы, была не высока и составляла 0,9×10² кл/мл, при этом доминировали микроорганизмы вида Thiobacillus thiooxidans. Присутствие данных микроорганизмов в углекислых водах свидетельствует о процессах окисления сульфидных минералов во вмещающих породах углекислых вод. Также были распространены сапрофитные бактерии, которые осуществляли разложение готовых органических соединений до СО₂ и воды. Общая численность сапрофитов в Малкинских водах была не высока и составляла в целом 1,9×10² кл/мл, при этом значительно преобладали факультативно анаэробные формы бактерий. В цикле азота доминировали  аммонийокисляющие и денитрифицирующие бактерии, которые окисляли аммонийные соединения до нитритов и нитратов и восстанавливали нитраты до свободного азота, при этом их количество составляло 2,5×10², 0,2×10² кл/мл соответственно. Развитие аммонийокисляющих бактерий может быть обусловлено наличием большого количества аммония в подземных водах.

 

Таблица 2 – Численность  различных функциональных  групп бактерий в Малкинских углекислых минеральных водах Камчатки

Функциональные группы микроорганизмов:	Численность бактерий, кл/мл
Микроорганизмы геохимического цикла углерода:
Сапрофиты аэробы	0,4×102
Сапрофиты факультативные анаэробы	1,5×102
Микроорганизмы геохимического цикла азота:
Азотфиксаторы	0
Аммонификаторы	0
Аммонийокисляющие бактерии	2,5×102
Нитритокисляющие бактерии	0
Гетеротрофные нитрификаторы	0
Денитрификаторы	0,2×102
Микроорганизмы геохимического цикла серы:
Тионовые бактерии	0,9×102
Сульфатредукторы	0
Микроорганизмы геохимического цикла железа и марганца:
Железоокисляющие бактерии гетеротрофы	0
Железоокисляющие бактерии автотрофы	9,5×103
Железовосстанавливающие бактерии	0
Марганецокисляющие микроорганизмы гетеротрофы	0
Марганецвосстанавливающие бактерии гетеротрофы	0

 

Санитарно-микробиологический анализ качества Малкинских углекислых вод Камчатки показал, что КМАФАнМ невысоко и достигает до 0,9×10² КОЕ/мл, при этом численность бактерий не превышает нормативных значений (табл. 3). Санитарно-показательными микроорганизмами являются общие (ОКБ) и термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ). ОКБ и ТКБ, в исследованных водах не обнаружены, что свидетельствует о чистоте вод. Не обнаружены также и условно-патогенные бактерии Pseudomonas аeruginosa. Таким образом, Малкинские углекислые минеральные воды являются чистыми в отношении санитарно-показательной микрофлоры.

 

Таблица 3 – Численность санитарно-показательной микрофлоры в Малкинских подземных  холодных углекислых минеральных водах Камчатки

Санитарно-показательные микроорганизмы:	Количество бактерий:	Норма1
КМАФАнМ, КОЕ/мл	0,9×102	Не > 1×102 КОЕ/мл
ОКБ, КОЕ/100 мл	0	Отсутствие в 100 мл
ТКБ, КОЕ/100 мл	0	Отсутствие в 100 мл
Pseudomonas aeruginosa, КОЕ/1000мл	0	Отсутствие в 1000 мл

Примечание: ¹Нормирование согласно [1, С. 1-18] [5, С. 1-18].

Список литературы / References

1. ГОСТ Р 54316–2011. Воды минеральные природные питьевые. Общие технические условия. – Введ. 2012–07–01. – М. : Изд-во стандартов, 2011. – 18 с.
2. Калитина Е. Г. Микробиологический состав углекислых минеральных вод Приморского края (распространение, численность бактерий, условия их обитания) / Е. Г. Калитина, Н. А. Харитонова, Г. А.Челноков, и др. // Вестник ДВО РАН. – 2015. –№5. – С. 53-62.
3. Копылова Ю. Г. Состав микрофлоры геохимического цикла углерода в углекислых водах природного комплекса Чойган (Тыва) / Копылова Ю. Г.,  Наливайко Н. Г., Аракчаа К. Д., и др. // Курортная база и природные лечебно-оздоровительные местности Тувы и сопредельных регионов. – 2015. – № 2. – С. 66-80.
4. Кузнецов С. И. Методы изучения водных микроорганизмов / С. И. Кузнецов, Г. А. Дубинина. – М. : Наука,1989. – 288 с.
5. Методические рекомендации № 96/225. Контроль качества и безопасности минеральных вод по химическим и микробиологическим показателям. – Введ. 1997-04-07. – М. : Минздрав России, 1997. – 18 с.
6. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / под ред. Н. С. Егорова. – М. : Изд-во МГУ, 1995. – 224 с.
7. Харитонова Н. А. Условия формирования холодных углекислых минеральных вод месторождения Малкинское (Камчатка) / Харитонова Н. А., Челноков Г. А., Баркар А. В., Вах Е. А. //Фундаментальные и прикладные проблемы гидрогеологии : материалы XXI совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока 22-28 июня 2015 г., Якутск / Институт мерзловедения им. П. И. Мельникова СО РАН. – Якутск, 2015. –С. 529–534.
8. Челноков Г. А. Гидрогеохимия и генезис термальных вод источника Горячий ключ, Приморье (Дальний Восток России) / Г. А.Челноков, Е. Г. Калитина, И. В. Брагин и др. // Тихоокеанская геология. – 2014. –№6. –Т. 33. – С. 99-110.
9. Чудаева В. А. Минеральные воды Дальнего Востока и их микроэлементный состав / В. А. Чудаева, О. В. Чудаев // Вестник ДВО РАН. – 2005. – №3. – С. 66-75.
10. Sirisena K. A. National survey of molecular bacterial diversity of New Zeland groundwater: relationships between biodiversity, groundwater chemistry and aquifer characteristics / K. A. Sirisena, C. J. Daughney, Moreau-Fournier et al. // FEMS microbiology ecology. – 2013. – №11. P. 490-504.

Список литературы на английском языке / References in English

1. GOST R 54316–2011. Vody mineral'nye prirodnye pit'evye. Obshhie tehnicheskie uslovija [Natural mineral water for drinking. General specifications]. – Introduce 2012–07–01. – M.: Izd-vo standartov, 2011. – 18 p. [in Russian]
2. Kalitina E. Mikrobiologicheskij sostav uglekislyh mineral'nyh vod Primorskogo kraja (rasprostranenie, chislennost' bakterij, uslovija ih obitanija) [Microbiological composition of carbonic mineral waters of Primorye territory (distribution, number of bacteria, conditions of their habitat)] / E. G. Kalitina, N. A. Kharitonova, G. A. Chelnokov and others // Vestnik DVO RAN. [Bulletin FEB RAS]. – 2015. – №5. – P. 53-62. [in Russian]
3. Kopylova Ju. G. Sostav mikroflory geohimicheskogo cikla ugleroda v uglekislyh vodah prirodnogo kompleksa Chojgan (Tyva) [Composition of the microflora of the geochemical cycle of carbon in carbonic waters of the natural complex Choigan (Tyva)] / Ju. G. Kopylova, N. G. Nalivajko, K. D. Arakchaa and others // Kurortnaja baza i prirodnye lechebno-ozdorovitel'nye mestnosti Tuvy i sopredel'nyh regionov [The resort base and natural health-improving areas of Tuva and adjacent regions]. – 2015. –№ 2. – P. 66-80. [in Russian]
4. Kuznecov S. I. Metody izuchenija vodnyh mikroorganizmov [Methods for studying aquatic microorganisms] / S. I. Kuznecov, A. Dubinina. – M.: Nauka,1989. – 288 p. [in Russian]
5. Metodicheskie rekomendacii № 96/225. Kontrol' kachestva i bezopasnosti mineral'nyh vod po himicheskim i mikrobiologicheskim pokazateljam [Control of the quality and safety of mineral waters by chemical and microbiological indicators]. – Introduce 1997-04-07. – M. : Minzdrav Rossii, 1997. – 18 p. [in Russian]
6. Rukovodstvo k prakticheskim zanjatijam po mikrobiologii [Guide to practical training in microbiology] / edited by N. S. Egorova. – M.: Izd-vo MGU, 1995. – 224 p. [in Russian]
7. Kharitonova N. Uslovija formirovanija holodnyh uglekislyh mineral'nyh vod mestorozhdenija Malkinskoe (Kamchatka) [Conditions for the formation of cold carbonic mineral waters of the Malkinskoye deposit (Kamchatka)] / Kharitonova N. A., Chelnokov G. A., Barkar A. V., Vah E. A. // Fundamental'nye i prikladnye problemy gidrogeologii: materialy XXI soveshhanija po podzemnym vodam Sibiri i Dal'nego Vostoka 22-28 iyunya 2015 g. [Fundamental and applied problems of hydrogeology: materials of the XXI meeting on underground waters of Siberia and the Far East 22-28 June 2015], Jakutsk / Institut merzlovedeniya im. P. I. Mel'nikova SO RAN [Institute for Permafrost Studies named after P. I. Melnikov, SB RAS]. – Jakutsk, 2015. – pp. 529–534. [in Russian]
8. Chelnokov G. A. Gidrogeohimija i genezis termal'nyh vod istochnika Gorjachij kljuch, Primor'e (Dal'nij Vostok Rossii) [Hydrogeochemistry and genesis of the thermal waters of the spring Hot Key, Primorye (Far East of Russia)] / G. A. Chelnokov, E. G. Kalitina, I. V. Bragin and others // Tihookeanskaja geologija [Pacific Geology]. – 2014. –№6. –V. 33. – P. 99-110. [in Russian]
9. Chudaeva V. A. Mineral'nye vody Dal'nego Vostoka i ih mikrojelementnyj sostav [Mineral waters of the Far East and their microelement composition] / V. A. Chudaeva,  V. Chudaev // Vestnik DVO RAN [Bulletin FEB RAS]. – 2005. – №3. – P. 66-75. [in Russian]
10. Sirisena K. A. National survey of molecular bacterial diversity of New Zeland groundwater: relationships between biodiversity, groundwater chemistry and aquifer characteristics / K. A. Sirisena, C. J. Daughney, Moreau-Fournier et al. // FEMS microbiology ecology. – 2013. – №11. P. 490-504.