WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Дубинина Г.А., Сорокина А.Ю., Гапеева М.В., Долотов А.В. Фракционирование стабильных изотопов железа в ходе бактериального окисления Fe2+ внизкотемпературных железистых источниках различного генезиса

Научная статья

 

Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1177        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

Фракционирование стабильных изотопов железа в ходе

бактериального окисления Fe   в низкотемпературных

железистых источниках различного генезиса

Дубинина Г.А. (1), Сорокина А.Ю. (1), Гапеева М.В. fgmv@ibiw.yaroslavl.ru) (2), Долотов А.В. (3)

(1)Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н.

Виноградского РАН (2)Учреждение Российской академии наук Институт биологии внутренних вод им.

И.Д. Папанина (З)Ивановский государственный университет

Введение

Железо является одним из важных биогенных элементов, четвёртым по величине распространённости в земной коре и, кроме того, претерпевает активный окислительно-восстановительный цикл в поверхностном слое Земли. В последнее десятилетие исследования стабильных изотопов железа при изучении геохимических и биогеохимических процессов вызывает большой интерес исследователей. Этот интерес диктуется, прежде всего, возможностью использования изотопов железа в качестве маркеров (biosignature) для расшифровки и понимания происхождения современных и древних докембрийских осадочных железистых руд Земли, а также при изучении марсианских отложений железа [1-4]. Однако современный уровень знаний по фракционированию стабильных изотопов железа не позволяет достаточно надежно интерпретировать получаемые результаты. В значительной степени это обусловлено недостатком сведений о механизмах абиогенных и биологических процессов дифференциации изотопного состава соединений в трансформации различных форм железа. Немногочисленны также сведения о факторах, контролирующих процессы дифференциации изотопного состава соединений железа в процессах, протекающих в природных средах.

Цель настоящего исследования дать сравнительную оценку скоростей

микробиологических и абиогенных окислительных процессов, а также их вклада в

трансформацию состава стабильных изотопов железа                         в низкотемпературных

минеральных железистых источниках различного происхождения.

Материал и методы исследований

Исследования были проведены на четырех низкотемпературных минеральных железистых источниках месторождения Марциальные воды (Южная Карелия) и на соленом источнике курорта Старая Русса.

Месторождение Марциальные воды расположено в южной части Балтийского гидрогеологического массива, в зоне регионального тектонического разлома архей-протерозойского возраста. Минеральные воды приурочены к зоне интенсивной трещиноватости, имеют напорный характер фильтрации. Выделены два водоносных комплекса - четвертичных отложений и водоносный комплекс пород протерозоя, с которым связано формирование месторождения высокожелезистых минеральных вод. Сток воды из источников осуществляется в окружающую заболоченную местность по желобам (источники № 2, 3, 4), либо непосредственно в близлежащее болото (источник № 1). Охристые отложения оксидов железа Fe отлагаются на выходе каптированных источников и по ходу  стоков  воды.  Общая минерализация вод во всех источниках


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1178        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

колеблется в пределах 0,3-0,9 г/л. Концентрация растворенного кислорода не превышает 0.05-0.3 мг/л, содержание Fe2+ колеблется от 16 до 126 мг/л (табл. 1.1-1.3). Температура воды на выходе источников в летнее время варьировала от 6,1°С до 9,1°С. Помимо проб воды и железистых свежеосажденных осадков в местах выходов желобов, были собраны и проанализированы образцы осадков по стоку желобов и из окружающей заболоченной местности. Располагаясь на относительно небольшом расстоянии (около 200 м) друг от друга, источники питаются глубинными водами с горизонтов различного геологического возраста и существенно различаются по химическому составу вод, главным образом, содержанием Fe . Вследствие этого данные источники могут служить удобной природной «лабораторией» для проведения модельных экспериментов по влиянию химического состава на скорость окислительных процессов и фракционирования изотопного состава железа.

Источник № 8 курорта старая Русса генетически связан с водоносным горизонтом древнего моря девона. Общая минерализация воды составляет 20 г/л, концентрация растворенного кислорода - 0,1 мг/л. Содержание Fe + - 11 мг/л (табл. 1.4). Температура воды на выходе источника 11-14°С.

Содержание Fe и Fe в образцах воды источников и в пробах модельных экспериментов, фиксированных добавлением ацетатного буфера, определяли согласно методикам [8]. Концентрации растворенного кислорода измеряли оксиметром Hanna HI 9142 на месте отбора проб, либо в газовой фазе - на газовом хроматографе Хроматэк кристалл 5000.1, рН воды определяли с помощью полевого рН-метра Hanna Cheker 1.

Измерение изотопных соотношений железа со средним относительным стандартным отклонением 0,48%. проводили на приборе DRC-e ICP-MS при оптимальных условиях анализа изотопного соотношения        Fe [5].

Микробиологический анализ осадков свежеосажденных оксидов Fe осуществляли с помощью светооптического фазового-контрастного микроскопа Olympus СХ - 3 и трансмиссионного электронного микроскопа JEM - 100 после фиксации материала глутаральдегидом без контрастирования материала, нанесенного на сетки с формаровой пленкой. Количественный учет литотрофных нейтрофильных железобактерий проводили методом предельных десятикратных разведений на минеральной агаровой среде с нитратами. Культивирование выделенных штаммов производили на вышеуказанной среде анаэробно либо на полужидкой среде (0,3 % агара) с FeS с созданием градиентной редокс-зоны ниже границы воздушной среды. Один из штаммов железоокисляющих нитратредуцирующих бактерий, выделенный из железистого источника № 8 (Старая Русса), был описан нами в качестве нового вида Hoefleasiderophilasp. nov. VKM-A7094T (Россия). Данный штамм был использован в экспериментах с целью определения фракционирования стабильных изотопов Fe при окислении FeS в анаэробных условиях с участием нитратов.

Моделирование процессов микробиологического и химического окисления Fe

в воде источников

Стеклянные флаконы объемом 0,5 л наполняли на изливе каждого источника водой доверху с помощью резинового шланга, пропуская через флаконы несколько объемов воды для предотвращения контакта с кислородом, и закрывали резиновыми пробками. В каждой серии опытов из пресноводных источников № 1, 3, 4 месторождения Марциальные воды и соленого источника № 8 курорта Старая Русса в качестве ингибитора биологических процессов [6] вносили свежепрокипяченый раствор NaCl в воду соответствующего источника до конечной концентрации в контрольных флаконах 5% и 10% соответственно. Для оценки влияния концентрации растворенного кислорода на скорость окисления и фракционирование изотопного состава железа в каждой серии опытов во флаконы вводили определенный объем стерильного воздуха по ранее разработанной схеме [7]. Более детально схема использованных вариантов представлена


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1179        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

далее в таблице 1. Наконец, для насыщения воды во флаконах растворенным кислородом соотношение жидкой и газовой фаз во флаконах составляло 1:1 по ходу опыта длительностью 45 (источник № 1, 3, 8) и 90 суток (источник № 4). Через 2-3 суток на газовом хроматографе определяли содержание кислорода в газовой фазе, отбирая пробы микрошприцом и в случае необходимости, при снижении концентрации кислорода вводили необходимый объем воздуха. В начале и в конце опытов в отобранных пробах, фиксированных ацетатном буфером, анализировали содержание Fe+, а также использовали их для анализов изотопного состава железа в воде и новообразованных осадках. По ходу опыта с определенной периодичностью определяли убыль содержания растворенного железа Fe2+ (таблица 1.1-1.4)

Результаты и обсуждение

Результаты экспериментов по влиянию растворенного кислорода и исходной

концентрации Fe в минеральных источниках на скорость окислительных процессов и

эффективность фракционирования стабильных изотопов железа представлены в таблице

1.1 - 1.4. При сопоставлении полученных результатов обнаруживается четкая зависимость

дифференциации изотопного состава в образуемых оксидах железа Fe + по сравнению с

восстановленным железом Fe исходной воды как от кислородного режима

окислительных биологических реакций, так и от исходного содержания окисляемого

железа. Максимальное обогащение образуемых оксидов железа легким изотопом Fe

наблюдалось при биологическом окислении железа в микроаэробных условиях (при

концентрации растворенного кислорода в опытах порядка 0,3-0,35 мг/л) и за счет

биологических процессов анаэробного окисления. В условиях свободного доступа воздуха

и насыщения воды кислородом (около 9,5 мг/л) при высокой скорости окисления Fe

отмечены минимальные величины фракционирования изотопов как при бактериальных,

так и особенно при абиогенных процессах. Это может быть обусловлено тем, что

анаэробных условиях при нейтральных и слабокислых значениях рН воды источников

(6,2-6,4) одновременно активно протекают процессы химического окисления. При

высокой скорости окислительных процессов эффективность дифференциации изотопного

состава и относительное облегчение оксидов железа заметно снижалась во всех случаях

(табл. 1.1-1.4).Эффективность фракционирования изотопов была максимальной при

анаэробном окислении железа в присутствии нитратов, используемых

железоокисляющими анаэробными бактериями в качестве акцептора электронов. В

анаэробных условиях химическое окисление и фракционирования изотопов практически

не происходило в контрольных вариантах опытов в присутствии NaCl. Исходная

концентрация растворенного Fe практически не оказывала влияния на эффективность

фракционирования изотопов как при бактериальном, так и при химическом окислении

(табл. 1.1 - 1.4). Следует отметить, что окисление Fe в вариантах опытов с водой

источника № 4 на конечных этапах сопровождалось увеличением кислотности среды и

снижением рН до величин 2,75-3 при бактериальном окислении железа как следствие

образования гидроксидов Fe3+                     Fe3++3H20—>Ре(ОН)з+ЗН+

В контрольных вариантах, где отмечено лишь незначительное окисление железа величины рН воды снижались незначительно таблице 1.1-1.4.

Обнаруженные на источниках Марциальных вод закономерности дифференциации стабильных изотопов железа при биологических и абиогенных окислительных процессах практически не отличались от полученных при исследовании соленого источника № 8 Старой Руссы.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1180        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

.2+

Таблица 1. Влияние кислородного режима и исходной концентрации Fe    в воде на процессы его бактериального и абиогенного окисления в железистых источниках месторождения Марциальные воду и курорта Старая Русса.

Таблица 1.1

Источник 1


„              тт                  Длительность опыта, сутки       _

Окисл     Исход.                                                                                         В

45

ено        конц-

о    ия, мг/л     15     30     38

Опыт

Контр

Опыт Контр

Кисло родный режим

Микро аэробно

Анаэ робно


Содержание Fe +, мг/л

Вари ант

Длительность опыта,

Исход.                       сутки

9Д 9,2

16

16

опыта      конц-

37

44

50

Fe2+,°/

1,2

0,5

0

100

8

8

8

50

-

-

14,7

8

_

_

15,5

3


0,25

0,25


рН

Содержание Ог, %

В

нача   конц

5,8 6,2

52     54     опыта     опы та

0,3    0,3    0,3      0,4      0,3      0 0,3    0,4    0,3     0,38     0,3      0

6,4


56/54

Величина Fe

В оса

дках

т-   3+

Fe

В

исход, воде

12,649

11,746 11,841

11,106 11,815

Таблица 1.2


Источник 3

Сислоро

Вари

Содержание Fe

2+

5

мг/л

Содержание Ог,

%

рН

Величина

Fe56/54

дный режим

ант опыта

Исход, конц-

Длительность опыта, сутки

Окисл ено

Исход, конц-

Длительность опыта.

,сутки

В нача

ле

в

конце

В        Boca

исход.      дках

ия, мг/л

15     30    37

44

50

Fe2+,%

ия, мг/л

15

30

38

45

52

54

опыта

опыта

-г   3+

воде       Fe

Аэробно Анаэ

Опыт

.

-

6

90,5

-

15

16

-

-

5,8

2,97

11,768

Контр Опыт

63

-        -       -

-

17 60,5

73 4

0,09

-

16,5

17

-

-

7

6,3

5,87

11 999

12 772        ' '          11,453

робно

Контр

.

-

62

1,6

-

-

-

-

-

-

-

11,837


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1181        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf


Содержание Ог, %

Длительность опыта, сутки

45      52     60      68      78     90

0,4    0,32    0,2    0,3     0,3    0,18    0,5    0,4

0,4

5

1

1,1     0,8    0,26    0,6

1,1

2+

Источник 4

15

1

Содержание Fe  , мг/л

Кисло родный режим

Вари

ант

опыта

Исх.

конц-

ия,

мг/л

Длительность опыта, сутки

Окисл ено

Fe2+,%

Исх.

конц-

ия,

мг/л

15

30

37

45

90

Опыт

-

-

-

-

1

99

Аэробно

Контр

-

-

-

-

47

63

Микро аэробно

Опыт Контр

126

84 125

50 12 0

40 11

5

35 11

5

1 83

99

34

0,47

Анаэ

Опыт

-

-

-

-

11 6

8

робно

Контр

-

-

-

-

12

2

3


Таблица 1.3

Величина

Рм

Fe

56/54

В

В

нача

конц

В

В оса

ле

е

исх.

дках

опы

опы

воде

т^   3+

Fe

та

та

2,75

11,862

4,8

11,791

2,8

11,703

6,2

6,13

12,5 31

12,028 11,788

-

12,093

Таблица 1.4



Кислоро

Вари

Исх.

дный

ант

конц-

режим

опыта

ия,

мг/л

Микро аэробно

Опыт Контр

11


2+

Содержание Fe  , мг/л Длительность опыта, сутки

15       30     37     44      50

0

7


Окисл ено

Fe2+,%

100 36


Источник 8

Исх.

конц-

ия ,

мг/л

0,1

Содержание Ог, % Длительность опыта, сутки

15     30     38     45     52     54


РН

Величина Fe

В

В

В

В оса

нача

конце

исход.

дках

ле

опыта

воде

т-   3+

Fe

опыта

6,4

11,7579

7,0

1

12,7116

1

6,7

12,0745


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1182        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

Изотопный состав растворенного железа в воде и железистых осадков

источников.

В таблице 2 представлены результаты определения состава стабильных изотопов Fe в воде источников, стоков прилегающих болот и железистых осадков. Сопоставление величин изотопного состава воды и образуемых охристых осадков железа с несомненностью свидетельствуют об облегченном изотопном составе последних. В наибольшей степени легким изотопом Fe обогащены свежеосажденные оксиды железа и взвесь в болоте, и поверхностные слои осадков, образуемые по ходу стока источников по желобам, в наименьшей степени - сухие красных охры вдоль желобов или на удалении от него.

Таблица 2. Изотопный состав железа природных образцов и осадков железистых источников месторождения Марциальные воды и курорта Старая Русса.


Место отбора проб Источник

Источник 1

Болото

Источник 2

Источник

Источник 3

Болото

Источник 4

Источник 8


Исследуемый образец

вода

верхний слой осадков в

трубе на изливе источника

вода

свежеосажденный   верхний

слой осадков по ходу стока

в болото

рыхлый железистый осадок

вода

свежеосажденный

железистый      осадок      на

изливе источника

вода

осадок    на    стоке    воды

источника

вода

свежеосажденный

железистый осадок

вода

вода из желоба

свежеобразованный осадок

в месте слива источника

вода на выходе источника

свежеобразованная    взвесь

оксидов железа


Величина       Fe

12,6488

11,7060

12,7537

11,9054

11,5051 12,7165

11,6869

12,7720

11,7838

12,8311

11,5820

12,5311 12,4810

11,5444

12,7116

11,4959


Исследование сообществ железоокисляющих микроорганизмов в воде и осадках

железистых источников

Микроскопический анализ свежеосажденных железистых осадков на месте выходов источников и далее по ходу стока в желобах и взвешенных в болотной воде оксидов железа выявил, что в основном они представлены ожелезненными структурами известных морфотипов железобактерий [6], а также палочковидными бактериями, покрытыми ожелезненными капсулами. Аморфные оксиды железа составляли лишь очень незначительную часть анализируемых осадков (рис. 1 В). Сходная картина получена при микроскопическом анализе стекол обрастания и щелевых пелоскопов, экспонированных


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1183        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

вертикально в осадки и водные слои источников, желобов и болота. Сравнительный микроскопический анализ выявил доминирующие виды и различия в качественном составе сообществ железоокисляющих бактерий. Так, в свежих осадках источника №1 и прилегающем болоте осаждение оксидов железа происходило с участием различных некультивируемых видов Gallionella, обладающих своеобразной структурой ожелезненных стебельков (рис. 1 А). Помимо структур Gallionella, в осадках встречались цепочки клеток и ожелезненные чехлы Leptothrixsp. Сходный состав железо бактерий обнаружен в источнике № 8 Старая Русса

В источниках № 2, 3, 4 преобладали ожелезненные структуры некультивируемых железобактерий Toxothrixtrichogenesи одноклеточные железобактерии, покрытые ожелезненными капсулами (рис. 1 Б).

Количественный учет литотрофных нейтрофильных железобактерий позволил выявить 10-10 клеток в 1 см осадков всех источников, включая Старорусский источник № 8. Из осадков этого источника выделена чистая культура железоокисляющих бактерий, способных как к окислению Fe кислородом в микроаэробных условиях, так и к нитратзависимому росту в анаэробных условиях. Штамм Hf- 1 на основе фено- и генотипических свойств и филогенетического анализа был идентифицирован в качестве нового вида Ное fleasiderophilasp.nov. и использован для выяснения участия в фракционировании стабильных изотопов железа.



Рис.1 Бактериальные (А, Б) и абиогенные оксиды (В) всвежеосажденных железистых осадках.

А - ожелезненные стебельки Gallionellaиз болота вблизи источника № 1, Б -одноклеточные железобактерии покрытые ожелезненными капсулами источника № 3; В -аморфные оксиды Fe   . Электронные микроскоп. Шкала 2 мкм (рис. 1 А) и 0,5 мкм (рис. 1

Б, В).

Изотопный состав стабильных изотопов железа в воде и железистых осадках источников месторождения Марциальные воды

В таблице 2 приведены результаты анализа изотопного состава воды источников и поверхностных слоев осадков на месте выхода и в желобах по ходу стока воды, а также в прилегающих территориях болот. Сопоставление изотопного состава растворенного Fe в исходной воде и образуемых окисленных осадках Fe свидетельствует о заметно выраженном облегчении изотопного состава последних.

Фракционирование стабильных изотопов железа в культурах литотрофных нитратзависимых нейтрофильных железобактерий.

С целью выяснения вклада бактериальных окислительных реакций в дифференциацию изотопного состава железа проанализирован изотопный состав оксидов железа, образуемых в чистых и накопительных культурах железоокисляющих бактерий при анаэробном нитратзависимом росте, заведомо исключающем химические окислительные процессы.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1184        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

При окислении FeS рост бактерий в жидкой среде сопровождался образованием на дне флакона оксидов Fe в виде рыхлого осадка. В контрольном варианте окисления FeS не было отмечено и изотопный состав железа, внесенный в среду аморфный взвеси FeS, практически оставался неизменным. Одновременно в бактериальных и накопительных чистых культурах железобактерий отмечен сдвиг в изотопном составе образованных оксидов железа в сторону обогащения легким изотопом   Fe (табл.3).

Таблица   3.   Фракционирование   стабильных   изотопов   железа   в   культурах литотрофных нитратзависимых нейтрофильных железобактерий.


Условия культивирования

или экспозиции FeS в

контроле

Место

выделения

культур

железоокисляю

щих бактерий

Источник № 8 курорта Старая Русса

Источник    №    4 Псекупского месторождения минеральных вод,   содержание Fe2+ воде 11 мг/л


анаэробная твердая агаровая среда + FeS

анаэробная твердая агаровая среда + FeS

анаэробная жидкая среда + FeS


+ бактерии

контроль

без бактерий

+ накопительная

культура

железобактерий

контроль

без бактерий

накопительная

культура

железобактерий

контроль


Исследуемый образец

Охристые       колонии       Hoeflea

siderophilasp. nov.

Следовые    количества    оксидов

Fe3+

Оксиды Fe    в колониях бактерий

над слоем FeS

Оксиды Fe + над слоем FeS

Следовые    количества    оксидов

Fe3+

Бактериальный   осадок   оксидов Fe + со дна флакона

Следовые    количества    оксидов

Fe3+


Величи на

56/54ре

11,9538

12,0006

11,5521 11,2583 12,0812

11,4467

12,0812


Заключение

Таким образом, сопоставление величин эффекта изотопного фракционирования железа и обогащения осадков оксида железа легким изотопом Fe в природных осадках исследованных источников месторождения Марциальные воды и Старорусского источника и в прилегающих районах заболоченных площадей с полученными в модельных экспериментах и в культурах железоокисляющих бактерий свидетельствуют о превалирующей роли микробиологического (биогенного) фактора в дифференциации изотопного состава отложений окисленных соединений железа, а также в процессах окислительной ветви геохимического цикла железа в современных водных системах, обогащенных растворимым железом. Из вышеприведенных материалов о зависимости скорости окислительных процессов и трансформации изотопного состава железа от окислительного режима следует, что на границе редокс-зоны в микроаэробной среде и нижележащих горизонтах действие биогенного фактора по сравнению с абиотическими многократно усиливается. Полученные результаты вносят вклад в понимание биогеохимического цикла железа в современных водоемах, а также могут быть использованы для интерпретации происхождения древних осадочных залежей железистых

РУД-

Работа     выполнена     при     поддержке    Российского     фонда    фундаментальных исследований (РФФИ) 07-05-00336


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»       1185        http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2009/091.pdf

Литература

  1. A.D. Anbar, Y. Duan, T.W. Lyons, G.L. Arnold, B. Kendall, R.A. Creaser, AJ. Kaufman, G.W. Gordon, J. Garvin, R. Buick. A Whiff of Oxygen before the Great Oxidation Event // Science. 2007. Vol.317, P. 1903-1906.
  2. Anbar A.D. Iron stable isotopes: beyond biosignatures // Earth and Planetary Science. 2004. Vol. 217, P.223-236
  3. Beard B. L., Johnson С M., Cox L., Sun H., Nealson K. H., Aguilar С Iron Isotope Biosignatures//Science. 1999. Vol.285, P.1889-1892.
  4. Beard B. L., Johnson С M., Skulan J. L., Nealson K. H., Cox L., and Sun H. Application of Fe isotopes to tracing the geochemical and biological cycling of Fe.// Chem. Geol. 2003. Vol. 195, P.87-117.
    • Долотов A.B., Гапеева M.B., Дубинина Г.А., Сорокина А.Ю. О возможности использования квадрупольного масс-спектрометра ELAN DRC-e ICP-MS для определения изотопного состава железа в модельных экспериментах.// «Исследовано в России». 2008. http://zhurnal.aperelarn.ru/articles/2008/095/pdf
    • Кузнецов СИ, Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов.// М. «Наука». 1989. 289 с.
    • Подкопаева Д.А., Грабович М.Ю., Дубинина Г.А. Окислительный стресс и системы антиоксид антной защиты клеток и микроаэрофильной бактерии Spirillum winogradskyi. // Микробиология. 2003. Т.72, С. 600-608
    • Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод.// М. Недра, 1970. 487 с.
     



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.