Biogeochemical aspects of humic substances and silicate rocks transformation during freezing-thawing

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Последствия потепления климата приводят к многочисленным эколого-биогеохимическим изменениям ландшафтов, однако чаще всего их оценивают главным образом по эмиссии парниковых газов. Рост глобальной температуры приводит к крупномасштабным изменениям в биосфере и криосфере, включая многолетнюю мерзлоту (Margesin, Collins, 2019). Многочисленные исследования последствий таяния многолетней мерзлоты в разных регионах показали, что крупномасштабные эффекты на нашей планете могут быть связаны с биологической и химической активностью на микроскопическом уровне (Zona, 2016).

Существуют различные режимы таяния многолетней мерзлоты (O’Donnell et al., 2014), от которых зависит концентрация и состав ОВ в поверхностных водах. Важным фактором, регулирующим состав ОВ в водных экосистемах в регионах с оттаивающими мерзлыми грунтами, может выступать гидрологический режим, влияющий на степень увлажнения береговых склонов (Vincent et al., 2017). Натурные и экспериментальные исследования показали, что разрушение горных пород и изменение устойчивости горных склонов происходит ускоренно при минусовых температурах и при их повышенном увлажнении. В естественных трещинах фазовая трансформация вода-лед ускоряют разрушение мезоструктуры горных пород (Wang et al., 2020), при этом в случае неоднократного замораживания и оттаивания увеличивается раскрытие трещин, вода переходит в лед и в трещине возникает сила морозного пучения (Wang et al., 2021). Установлено, что в интервале температур от –20 °C до –40 °C повышается хрупкость пород за счет увеличения количества микротрещин, снижается устойчивость горных пород к деформации и разрушению (Yang et al., 2022).

Такая критическая ситуация произошла в Северо-Восточном Китае при строительстве железной дороги в провинции Цзилинь (Luo et al., 2018). Исследования, проведенные после оползня, показали, что в результате длительных циклов замерзания-оттаивания устойчивость материнских пород зависела от присутствия силикатного минерала монтмориллонита (Li et al.,2020).

Изменения в динамике биохимических процессов в многолетней мерзлоте могут критически влиять на водные экосистемы и ландшафты непосредственно через активность микробных сообществ. Недавние исследования показали, что функциональная реакция микробиома многолетней мерзлоты зависела от конечной температуры оттаивания, чем от местоположения отбора проб и их фильтрации (Messan et al., 2020). Было показано, что многолетнемерзлые почвы являются важным источником органических веществ (ОВ), продуктов деградации растительных остатков, включая гуминовые вещества (ГВ). Согласно проведенной масс-спектрометрии при оттаивании мерзлых грунтов Гренландии было обнаружено более 300 различных органических соединений (Kramshøj et al., 2018). Многие из этих соединений, включая ГВ, влияют на условия окружающей среды и способны изменять структуру и активность микробных сообществ (Kulikova, Perminova, 2021).

Состав ГВ формируется в природных поверхностных и подземных водах в результате их взаимодействия с почвами, горными породами, и в значительной степени зависит от климатических условий (Lipczynska-Kochany, 2018). Традиционно ГВ рассматриваются как супрамолекулярные структуры или ассоциации гетерогенных макромолекул, генезис которых связан с деградацией и разложением в основном лигноцеллюлозы растительных остатков (Piccolo, 2001). ГВ играют важную роль в биохимических процессах, а трансформация их макромолекулярной структуры приводит к изменению физико-химических свойств и характера дальнейшего взаимодействия с другими соединениями и химическими элементами (Perminova, 2019). Считают, что реакционная способность ГВ в окружающей среде зависит от набора функциональных групп в структуре макромолекул (Bell et al., 2014; Lee et al., 2015) и происхождения органических остатков (Rupiasih, Vidyanagar, 2005). Изменение соотношения кетонных и ауксохромных групп в составе ароматических колец влияет на интенсивность окрашивания водной среды, а цветность раствора ГВ обусловлена присутствием хромофорных функциональных групп: азотсодержащих (–N = N–), азометиновых (>C = N–), карбоиминовых (>C = NH), нитро- (–NO₂) и нитрозогрупп (–NO) (Chen et al., 2002).

В условиях оттаивания многолетней мерзлоты и сезонного замерзания-оттаивания грунтов, все больший интерес вызывают исследования биотрансформации горных пород (Struvay, Feller, 2012; Tribelli, López, 2018). Бактерии, участвующие в разрушении горных пород часто относятся к психрофильным микроорганизмам, которые развиваются при низких температурах в виде биопленок на их поверхности, в трещинах и поровом пространстве (Puente et al., 2006). Психрофильные бактерии отличаются особым составом клеточных мембран; ферментативной активностью при низкой температуре; специализированными генами, которые отвечают за жизнеспособность при холодовом шоке и способны удалять денатурированные холодом белки (Hou et al., 2017; Manyapu et al., 2022). Важную роль в качестве антифризов могут выполнять бактериальные белки и некоторые полисахариды в виде полимерных слизистых веществ (Dreischmeier et al., 2017).

Установлено, что температура является важным фактором окружающей среды, влияющим на разрушение гранита при участии микроорганизмов (Song et al., 2007). Экспериментальное исследование биоразрушения трех минералов (базальт, гранит, гнейс) показало, что температура влияет на микробное выветривание пород и приводит к изменению последовательности извлечения элементов (Štyriaková et al., 2012).

На многих водохранилищах в зоне влияния ГЭС активные биогеохимические процессы происходят под влиянием “флуктационного пояса”, связанного с уровнем воды, когда переувлажненные горные породы на берегах, могут циклически замерзать, оттаивать и затем разрушаться. По неполной статистике, около 69 %, оползневых катастроф, которые произошли в Китае в районе вдхр. “Три ущелья”, связаны с деформацией и разрушением склонов, при взаимодействии воды с рыхлыми горными породами. Крупный оползень произошел в 2003 году, через 33 дня после первого накопления воды в вдхр. “Три ущелья” до уровня 135 м (Chai et al., 2009).

Для дальневосточного региона особую актуальность приобретает прогнозирование последствий взаимодействия воды с горными породами после уникального зимнего оползня на Бурейском вдхр. в декабре 2018 г. Основная масса тела оползня находится под водой и существуют предпосылки изменения качества воды в результате выщелачивания элементов из породообразующих силикатных минералов. До настоящего времени продолжается дискуссия о причинах схода оползня в период ледостава на Бурейском вдхр. (Зеркаль и др., 2019; Кулаков и др., 2019; Махинов и др., 2019; Коковкин, 2020; Кондратьева и др., 2020).

В представленной работе циклическое замерзание-оттаивание (ЦЗО) силикатной породы в эксперименте (in vitro) используется в качестве модели для исследования абиогенных и биогенных факторов, влияющих на изменение состава воды вокруг тела оползня на Бурейском вдхр. Среди биогеохимических факторов, особое внимание уделяется влиянию гумификации природных вод, сезонным изменениям температуры и микробиологической трансформации (разрушению, растворению) горных пород.

Цель исследования состояла в оценке воздействия циклического замерзания-оттаивания на биогеохимические процессы при взаимодействии микроорганизмов с породой, влияния диапазона температуры оттаивания на изменение спектральных характеристик гуминового вещества и микроструктуры поверхности силикатной породы.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Характеристика объекта исследования. Гигантский оползень, который произошел в декабре 2018 при –32 °C с левого склона Бурейского водохранилища (БВДХ), является одним из крупнейших и уникальных в мире. Он произошел в водоем, покрытый льдом, его обрушение вызвало речное цунами. Большая скорость прохождения волны и физические свойства почвы (пористость, повышенная пластичность) привели к полному разрушению почвенного покрова фактически до скальных пород (Махинов и др., 2020). Глубина водохранилища на месте схода оползня составляет более 70 м. По расчетам специалистов основная часть оползня находится под водой. Описание геологических, геоморфологических и геофизических особенностей Бурейского оползня представлены в ряде работ (Зеркаль и др., 2019; Кулаков и др., 2019; Махинов и др., 2019; Коковкин, 2020).

На водосборе БВДХ встречаются области с островной, прерывистой и сплошной многолетней мерзлоты, мощностью до 200 м, чаще всего на низинных участках водоразделов и склонах рек северной экспозиции при температуре пород до –3 °C. Размельчение горных пород произошло не только в результате перемещения тела оползня, но и после взрывных работ (Кондратьева и др., 2020). Амплитуда сезонного колебания “флуктуационного пояса” в БВДХ составляет 20 м. Поэтому трансформация и разрушение горных пород могут происходить при различной степени их обводнения и разном диапазоне температур.

В результате выветривания скальных интрузивных пород на склонах долин водотоков бассейна р. Бурея формируются элювиально-делювиальные глыбовые отложения с супесчаным заполнителем мощностью от 1 до 3 м. На левом берегу Бурейского вдхр., где произошел гигантский оползень, развиты палеозойские интрузии (граниты, гранодиориты) (Кулаков и др., 2019).

Граниты характеризуются высокой степенью микротрещиноватости и сложной морфологией минералов, с размером зерен от 0.2 до 5 мм следующего химического состава: SiO₂ 68–72 %; Al₂O₃ 15–18 %; Na₂O₃–6 %; Fe₃O₄ 1–5 %; CaO 1.5–4 %; MgO до 1.5 % и другие микропримеси. Среди крупных зерен преобладает полевой шпат с пластинчатой формой кристаллов. К минералам, имеющим мелкий размер зерен (0.4–1.0 мм), относится биотит с чешуйчатой структурой поверхности (Gao et al.,2021).

Описание эксперимента. Для оценки влияния процессов циклического замерзания-оттаивания (ЦЗО) на изменение спектральных характеристик водного раствора гуминовых веществ в результате взаимодействия с горными породами использовали обломочный материал скальных пород с места схода Бурейского оползня, просеянный через гранулометрическое сито с размером ячеек 3 мм. Перед ЦЗО 5 г сухой породы загружали в стерильные одноразовые медицинские полимерные контейнеры на 50 мл с крышкой (Berimed, ООО “ЕВРОКЭП”, РФ). В эксперименте (табл. 1) использовали 12 проб: стерильную породу (прокаливание при температуре 125 °C в сушильном шкафу в течение 1 часа), залитую 50 мл стерильной питательной среды (KH₂PO₄ — 1.33; K₂HPO₄ — 2.67; NH₄Cl — 1; Na₂SO₄ — 2; KNO₃ — 2; FeSO_4.7H₂O — 0.001; MgSO_4·7H₂O — 0.1 г/л), содержащей 0.2 г/л гумата натрия (ГNa), в контейнер вносили по 1 мл суспензии каждого отдельно из 4 штаммов микроорганизмов; не стерильную породу с автохтонным микробным консорциумом, залитую 50 мл среды с ГNa и не стерильную породу, залитую 50 мл деионизированной воды.

 

Таблица 1. Варианты эксперимента циклического замерзания / оттаивания гуминовых веществ при взаимодействии с силикатной породой

№ пробы	Температурный диапазон –18 оС / +4 оС (медленное оттаивание)		№ пробы	Температурный диапазон –18 оС / +23 оС (быстрое оттаивание)
	Инокулят / порода			Инокулят/ порода
1 2 3 4	17 ВП 13 НП 45 ВД 40 НД	Стерильная порода + гумат натрия	7 8 9 10	17 ВП 13 НП 45 ВД 40 НД	Стерильная порода + гумат натрия
5	ПК нестерильной породы + гумат натрия		11	ПК нестерильной породы + гумат натрия
6	Нестерильная порода + Н2ОД		12	Нестерильная порода + Н2ОД

 

Деионизированную воду (Н₂О_Д) готовили на приборе Barnstead EASYpure II (фирма Thermo Scientific, США). По химическим и биологическим показателям вода имела следующие характеристики: удельное сопротивление 18.2 MΩ; содержание общего органического углерода после финального фильтра (размер пор 0.2 мкм) не более 5–10 ppb; бактериальные клетки отсутствовали (по регламенту меньше 1 КОЕ/мл).

Для оценки роли микроорганизмов в трансформации гуминовых веществ в условиях ЦЗО в качестве инокулята были выбраны 4 штамма гетеротрофных бактерий, выделенных из воды Бурейского вдхр. из разных местообитаний. Они обладали характерными физиологическими свойствами, определяющими их адаптационный потенциал к низким температурам: штамм Arthrobacter sp. 13 НП (выделен ниже тела оползня из поверхностной воды), синтезирующий фиолетово-черный пигмент виолацин (violacin); штамм Pseudomonas sp. 17 ВП (выделен выше тела оползня из поверхностной воды) активно продуцировал слизистый матрикс; штамм Bacillus sp. 40 НД (выделен ниже тела оползня из придонной воды) активно продуцировал слизистый матрикс; спорообразующий штамм Actinomyces sp. 45 ВД (выделен выше тела оползня из придонной воды), способный быстро осваивать местообитание, благодаря активному росту на твердых поверхностях. Также в качестве биогенного фактора использовали природный консорциум (ПК), присутствующий в поровом пространстве и на поверхности нестерильной породы.

Продолжительность эксперимента составила 80 суток. На первом этапе проведено длительное замораживание образцов в течение 30 суток в морозильной камере при температуре ‒18 °C. Затем были сформированы две группы образцов, которые отличались условиями оттаивания: первая (пробы 1–6) — медленное оттаивание в холодильнике от –18 °C до +4 °C; вторая (пробы 7–12) — быстрое оттаивание, при комнатной температуре от –18 °C до +23 °C. На втором этапе все образцы прошли 5 циклов поочередного замерзания/ оттаивания через 7 суток. Для дальнейших анализов использовали растворы, отобранные из верхней части экспериментального контейнера с помощью шприцевых мембранных фильтров с диаметром пор 0.45 мкм (фирма “Navigator”, КНР).

Трансформацию и изменение спектральных характеристик гумата натрия (ГNa) оценивали с помощью спектрофотометрического метода (спектрофотометр Shimadzu UV-3600). Культуральную жидкость, с присутствующими микроорганизмами, и водные растворы над породой фильтровали через мембранные фильтры с диаметром пор 0.45 мкм. Основные водорастворимые компоненты ГNa определяли при следующих длинах волн: суммарное содержание растворенных ОВ при λ = 254 нм, содержание ароматических компонентов — при λ = 275 нм (Kumar, 2006) и хромофорных групп при λ = 465 нм (Ширшова и др., 2015; Cory, McKnight, 2005). В качестве контроля использовали питательную среду с ГNa после процедуры ЦЗО.

Элементный состав водных растворов определяли методом ICP-MS на приборе ELAN9000 (фирмы Perkin Elmer, США) по стандартным методикам (ПНД Ф 14.1 : 2 : 4 .143–98, 2011). После фильтрации пробы водных растворов консервировали свежеприготовленным раствором HNO₃, очищенной методом изотермической перегонки, в соотношении 1 : 1 (HNO_{3 :} H₂O). В полипропиленовые пробирки на 50 мл вносили 3 мл раствора HNO₃ и 100 мкл азотнокислого раствора In в концентрации 20 ppm, в качестве внутреннего стандарта.

Микроструктуру поверхности частиц породы после ЦЗО исследовали методом локального зондирования с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (VEGA 3 LMH TESCAN, Чехия) на предметных столиках с электропроводящими углеродными дисками, после напыления Pt. Для определения элементного состава микроструктур использовали кремний-дрейфовый рентгеновский детектор X–MAX 80 мм² (Oxford Instruments, Великобритания) в режиме вторичных электронов (SE-детектор). Анализы проводили в Хабаровском инновационно-аналитическом центре коллективного пользования на базе Института тектоники и геофизики ДВО РАН.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Изменение спектральных характеристик гумата натрия при циклическом замерзании-оттаивании

Хромофорные растворенные ОВ, представленные фракциями, поглощающими в ультрафиолетовой (УФ) и видимой части спектра являются важным фактором, контролирующим оптические свойства поверхностных вод, с учетом микробиологических процессов (Birdwell, Engel, 2010). Существует мнение, что хромофорные ОВ включают производные гуминовых и белковоподобных веществ, поглощают и возбуждаются УФ светом при диапазоне длин волн 240–280 нм. Гуминоподобные флуорофоры идентифицируют в зеленой части спектра при 400–500 нм, что обусловлено присутствием хиноидных структур, ответственных за гумификацию природных вод (Cory, McKnight, 2005). Ранее считали, что поглощение при λ = 254 нм можно отнести за счет “карбоксифенолов”, а поглощение при λ = 436, 465 нм связано с хромофорами, ответственными за черно-коричневую окраску химически зрелого гуминового материала (Bloom, Leenheer, 1989). В то же время для получения информации о химической зрелости гуминовых фракций предлагают хромофорные ОВ определять при длинах волн 254 нм и 465 нм (Ширшова и др., 2015).

Для определения изменения молекулярной структуры водорастворимого гумата натрия (ГNa) под влиянием замерзания-оттаивания и микробного метаболизма 4 штаммов микроорганизмов, выделенных из воды вокруг тела оползня, были использованы три длины волны (254, 275, 465 нм) с учетом дискуссий о связи спектров поглощения с молекулярной структурой ГВ.

Как видно из табл. 2, спустя 80 суток после ЦЗО наиболее существенные изменения спектральных характеристик ГNa были отмечены при длинах волн 254 и 275 нм. Контрольные растворы ГNa после ЦЗО при разных температурах оттаивания отличались незначительно.

 

Таблица 2. Влияние микроорганизмов на изменение спектральных характеристик раствора ГNa после циклического замерзания/оттаивания при взаимодействии с горной породой

Микроорганизмы	Изменения величины абсорбции ГNa при разных длинах волн
	254 нм	275 нм	465 нм
Оттаивание при 4 оС
Pseudomonas sp. 17 ВП	0.302	0.365	0.381
Arthrobacter sp. 13 НП	0.319	0.357	0.379
Actinomyces sp. 45 ВД	0.406	0.429	0.397
Bacillus sp. 40 НД	0.157	0.218	0.357
ПК нестерильной породы	0.449	0.457	0.398
Контроль	2.502	2.227	0.392
Оттаивание при 23 оС
Pseudomonas sp. 17 ВП	0.275	0.306	0.371
Arthrobacter sp. 13 НП	0.075	0.138	0.339
Actinomyces sp. 45 ВД	0.448	0.468	0.405
Bacillus sp. 40 НД	0.102	0.168	0.348
ПК нестерильной породы	0.601	0.588	0.422
Контроль	2.636	2.361	0.400

Примечания. В таблице представлены показатели изменения величины абсорбции раствора ГNa при индикаторных длинах волн относительно контрольного раствора; ПК — природный консорциум нестерильной породы.

 

Самым активным оказался штамм Actinomyces sp. 45 ВД, независимо от температуры оттаивания. Его активность была сопоставимой с природным консорциумом (ПК), присутствующим в нестерильной породе. Наименьшую активность по отношению к ГNa проявлял штамм Bacillus sp. 40 НД. Биогенная трансформация хромофорной составляющей ГNa при 4 °C была одинаковой и не завесила от вида микроорганизмов. Однако при 23 °C вновь выделялись штамм Actinomyces sp. 45 ВД и ПК нестерильной породы. Стоит подчеркнуть, что самые значительные изменения молекулы ГNa происходили при 23 °C в области длин волн 254 и 275 нм при участии ПК нестерильной породы. Скорее всего в этом случае происходило разрушение двойной связи С = С ароматического кольца в составе молекулы, а карбоксильные группы использовались микроорганизмами в качестве источника углерода.

Ранее, на основании экспериментальных исследований была выдвинута гипотеза о том, что значительная часть фракций ГВ представляют собой динамичную систему макроагрегатов, различающихся составом и характером взаимодействия субъединиц. Макроагрегаты формируются за счет гидрофобных, водородных, сложноэфирных связей и др. При промерзании и оттаивании разных почв и пород меняются не только оптические свойства включенных в них ГВ, но и реакционная способность макромолекул (Shirshova et al., 2009). Не исключено, что в нашем эксперименте происходила частичная биосорбция ГNa на биомассе развивающихся микроорганизмов. Подобные процессы, некоторые авторы (Esparza-Soto, Westerhoff, 2003) объясняют гидрофобным взаимодействием между гуминовыми веществами и внеклеточными полимерами бактериальных клеток.

Штамм Bacillus sp. 40 НД выделялся своей способностью активно продуцировать полимерные слизистые вещества, которые, с одной стороны, могли защищать клетку от замораживания, но с другой стороны, эти продукты метаболизма могли способствовать появлению новых макроагрегатов ГNa, фактически маскирующих изменение оптических свойств самого раствора. Поэтому при участии этого штамма мы наблюдали минимальные изменения спектральной характеристики ГNa при 254 и 275 нм.

Однако, в результате ЦЗО на оптические свойства раствора могли повлиять выщелачиваемые из породы элементы. В этом случае воздействие на спектральные характеристики ГNa оказывали одновременно физико-химические и биогенные факторы.

Выщелачивание химических элементов при разной температуре оттаивания

Определение ко-факторов, сопутствующих взаимодействию микроорганизмов с горными породами, является довольно сложной задачей. Остается много вопросов при оценке воздействии микробных метаболитов на скорость растворения минералов (Shirokova et al., 2012). Мало изученным фактором выступает изменение температуры оттаивания при ЦЗО водного раствора в поровом пространстве породы и его влияние на динамику биогеохимических процессов при непосредственном контакте бактериальных клеток с поверхностью частиц.

Для оценки влияния непосредственно влаги на трансформацию породы при ЦЗО и выщелачивание химических элементов мы использовали деионизированную воду (Н₂О_Д). Анализ водных растворов из разных вариантов оттаивания показал, что все четыре штамма отличались большей активностью выщелачивания отдельных элементов, по сравнению с Н₂О_Д (рис. 1, 2).

 

Рис. 1. Влияние температуры оттаивания (4 °C, 23 °C) и биогенного фактора на особенности выщелачивания петрогенных элементов в присутствии гумата натрия. Обозначения проб: 17 ВП, 13 НП, 45 ВД, 40 НД — штаммы микроорганизмов; ПКП — природный консорциум нестерильной породы; ДВ — деионизированная вода.

 

Рис. 2. Влияние температуры оттаивания (4 °C, 23 °C) и биогенного фактора на особенности выщелачивания элементов разного генезиса: As — халькофильный, Cr –литофильный, Ni и Cо — сидерофильные; Обозначения проб: см. рис. 1.

 

Стоит подчеркнуть, что некоторые штаммы способствовали более активному выщелачиванию при низкой температуре оттаивания. Особенно наглядно это проявлял штамм Actinomyces sp. 45ВД из придонных слоев воды по отношению к Al (рис. 1). Такие элементы как Ca, Mg и As активно выщелачивались при воздействии биогенного фактора при разной температуре оттаивания. Природные комплексы, ассоциированные с нестерильной породой, активно выщелачивали Ca и Mg при низкой температуре. Выщелачивание халькофильного As в меньшей степени зависело от температуры оттаивания и влияния штаммов микроорганизмов (рис. 2). Поведение литофильного Cr зависело от сочетания температурного фактора и метаболизма микроорганизмов. Стоит подчеркнуть, что этот элемент выщелачивался также под влиянием Н₂О_Д.

Известно, что реакционная активность воды приводит к изменению микроструктуры породы и выщелачиванию растворимых элементов. Взаимодействие воды с породами представляет собой сложный феномен, который многие изменения на уровне микроструктуры приводит к макроскопическому ухудшению механических параметров горных склонов (Liu et al., 2009; Deng et al., 2016). Моделирование поведения химических элементов в присутствии гуминовых веществ показало (Olk et al., 2019), что концентрации Cd, Ni и Zn в растворе увеличиваются в выщелачивающем растворе при добавлении хлорида натрия (NaCl) и, что присутствие этой соли мало влияет на сильно связанные ионы Cu²⁺, Cr³⁺ и Pb²⁺. В нашем эксперименте NaCl отсутствовал, однако выщелачивающим фактором выступали метаболиты микроорганизмов. Более активно в раствор поступали кальций и мышьяк при разной температуре оттаивания, а такие элементы как Cu, Zn и Pb в водном растворе отсутствовали. Поведение хрома сильно зависело от активности того или иного штамма при разной температуре оттаивания и вероятности образования его коллоидных форм.

Недавно установлено, что после нескольких ЦЗО болотных вод поведение многих элементов систематически изменяется в результате образования высокомолекулярных и/или низкомолекулярных коллоидных форм. Так при использовании фильтров разного диаметра доказано, что высокомолекулярные органические коллоиды (50 кДа – 0.45 мкм), Fe, Al и ряд других металлов удалялись из раствора в ходе ЦЗО. В то же время увеличивалось содержание низкомолекулярного коллоидного Si за счет фракции < 3 кДа, а также низкомолекулярных фракций Fe, Al и некоторых микроэлементов, включая Cr (Pokrovsky et al., 2018).

Некоторые бактериальные метаболиты и продукты лизиса клеток образуют комплексы с Al³⁺ на поверхности минералов и в водном растворе, способствуя разрыву связей Al–O в кристаллической решетке. Однако, бактериальные экзополисахариды могут ингибировать скорость растворения некоторых элементов, блокируя участки отслоения катионов с поверхности минералов (Lee, Fein, 2000). Этим можно объяснить разное поведение Al в нашем эксперименте в присутствии ГВ и разных штаммов микроорганизмов.

Следовательно, микроорганизмы играют важную роль в связывании и/или подвижности ионов металлов, влияние которых не всегда учитывается, хотя они являются важным инструментом для оценки динамики биогеохимических процессов при изменении температурного режима.

Изменение микроструктуры поверхности силикатной породы

В процессе проникновения воды внутрь образцов горных пород можно наблюдать два явления. С одной стороны, происходит растворение минеральных частиц, коррозия и химические реакции. С другой стороны, растворение и химическое выщелачивание элементов с контактных поверхностей приводит к новой цементации минеральных частиц. Эти два эффекта изменения микроструктуры породы наблюдали при флуктуации уровня воды и циклическом погружении породы (вода-воздух), которые оказывают существенное влияние на механизмы деградации горной породы (Deng et al., 2016). Не менее значимые изменения поверхности минералов происходят при ЦЗО, разном диапазоне температуры оттаивания и под воздействием продуктов метаболизма микроорганизмов.

В наших исследованиях, в результате ЦЗО контрольного образца сухой стерильной породы поверхность частиц изменялась незначительно (рис. 3). На СЭМ изображениях поверхность частиц покрыта чешуйчатыми микроструктурами. Возможно, что длительное замораживание могло привести к утрате связанной воды, которая при оттаивании периодически могла скапливаться в поровом пространстве и кристаллизоваться. Такие циклические изменения могли привести к образованию чешуйчатых микроструктур на поверхности частиц сухой породы. Микроструктура поверхности частиц образца, погруженных в Н₂О_Д, изменялась незначительно. Это подтверждается минимальным изменением содержания элементов в деионизированной воде (рис. 1, 2).

 

Рис. 3. СЭМ изображение поверхности образцов сухой породы после циклического замерзания (–18 °C) и оттаивания при разной температуре: а — 4 °C; б — 23 °C.

 

Но более значительное преобразование поверхности образца породы происходило под влиянием штамма Actinomyces sp. 45 ВД, образующего биопленки на его поверхности. Трансформация поверхности образца зависела от температуры оттаивания (рис. 4, 5). Согласно элементному составу отдельных микроструктур (табл. 3), многие из них имеют биогенное происхождение (спектры 8–10), по сравнению с фоном самой силикатной породы (спектр 11). Богатый элементный состав, включая присутствие фосфора в аморфных и палочковидных микроструктурах, можно объяснить биоаккумуляцией, которая происходит в слизистой матрице биомассы. Присутствие Fe в микроструктурах может быть связано с утилизацией гуминовой составляющей железо-гуматных комплексов и его сорбцией биомассой.

 

Рис. 4. СЭМ изображение поверхности образца породы и образование микроструктур в присутствии Actinomyces sp. 45 ВД и температуре оттаивание 4 °C: а — общий вид при ×1000; б — ×5000, с номерами спектров (элементный состав микроструктур представлен в табл. 3).

 

Рис. 5. СЭМ изображение поверхности образцов породы и образование микроструктур в присутствии Actinomyces sp. 45 ВД при температуре оттаивания 23 °C: а — общий вид поверхности при ×1000, с номерами спектров (элементный состав микроструктур представлен в табл. 4); б — увеличенный фрагмент, выделенный белым контуром, ×7000.

 

Таблица 3. Влияние циклического замерзания-оттаивания на элементный состав поверхностных микроструктур образцов силикатной породы в присутствии гуминовых веществ и Actynomyces sp. шт. 45 ВД (оттаивание при 4 °C)

Спектр/микроструктура	Элементный состав, мас. %
	C	O	Si	Al	K	Na	P	Ca	Fe	Mg
8 — аморфная	35.85	47.74	4.86	1.62	0.67	0.73	3.59	4.37	0.30	0.26
9 — биогенная	20.67	56.79	5.01	2.25	0.53	0.64	5.34	6.18	1.13	1.47
10 — палочка	16.33	54.05	19.24	0.77	0.20	0.35	4.24	4.47	0.36	-
11– порода	14.98	56.25	28.53	-	-	-	-	-	-	-
12 — аморфная	26.54	47.55	23.16	0.59	0.16	0.40	-	0.92	0.92	0.28
13 — аморфная	20.12	53.47	14.22	5.48	0.17	5.97	-	0.43	0.14	-

 

Наиболее существенное преобразование поверхности образцов породы наблюдали при температуре оттаивания 23 °C (рис. 5). На СЭМ изображениях отмечена повышенная эрозия поверхности частиц, присутствуют разнообразные микроструктуры с богатым элементным составом, включая значительно трансформированные рыхлые, “гофрированные” образования. Некоторые авторы называют подобные микроструктуры “волнистыми кристаллами” монтмориллонита (Fesharaki et al., 2007) или идентифицируют как “волокнистый иллит” (Christidis, 2011). При 23 °C отмечено образование разнообразных изоморфных микроструктур, отличающихся непостоянством элементного состава (табл. 4). Есть основание считать, что после ЦЗО и оттаивании при 23 °C происходит формирование вторичных биоминералов, которые могут участвовать в цементации порового пространства. Возможно, за счет формирования такого разнообразия микроструктур при температуре оттаивания 23 °C происходит перевод многих элементов в нерастворенное состояние и наблюдается обеднение элементного состава в экспериментальных растворах.

 

Таблица 4. Элементный состав поверхностных микроструктур при культивировании Actynomyces sp. шт. 45 ВД в присутствии гуминовых веществ (оттаивание при 23 °C)

Спектры на рис. 5	Элементный состав, мас. %
	C	O	Si	Al	K	Na	P	Ca	Fe	Mg	Cl
40	42.89	17.83	0.55	0.45	13.69	3.67	1.13	1.76	0.13	0.24	17.66
41	43.53	35.50	3.04	2.17	2.0	1.43	2.70	4.38	1.83	0.59	2.73
42	36.83	41.49	2.63	1.77	2.34	2.15	3.46	5.89	0.61	0.61	1.83
43	14.88	31.28	36.34	10.7	0.40	5.46	-	0.96	-	-	-
44	38.79	45.45	1.72	1.51	1.76	1.52	2.79	4.19	0.48	0.6	1.07
45	45.28	36.16	2.99	1.77	1.80	1.61	2.38	4.03	1.01	0.67	2.17
46	30.70	50.26	7.41	3.41	0.92	3.47	-	2.06	0.61	0.47	0.7
47	38.74	12.66	1.57	1.06	0.88	19.5	1.07	1.54	1.15	0.24	21.12
48	48.01	37.50	2.41	1.38	8.11	0.71	0.24	0.54	0.58	0.35	-
49	31.92	19.38	5.23	4.08	17.06	1.74	1.43	2.14	0.83	0.37	15.82
50	48.94	17.41	-	-	2.72	10.4	0.91	1.44	0.11	-	18.09

 

Бактериальный вклад в разрушение силикатных пород при разных температурах был продемонстрирован на примере Bacillus sp. (Štyriaková et al., 2012). Установлено, что в результате воздействия бактерий на поверхность минералов происходило выщелачивание K, Ca, Mg, Si, Fe и Al. Повышение температуры от 4 °C до 18 °C оказывало существенное влияние на эффективность извлечения железа из гранита и базальта, а кремния из гранита и гнейса. В нашем эксперименте штамм Bacillus sp. 40 НД при повышении температуры оттаивания активнее выщелачивал Al, As, Co, Cr, тогда как характер растворения Ca и Mn не зависел от температуры оттаивания. Такие элементы как Ni и Mg активнее выщелачивались при низкой температуре оттаивания.

Исходя из данных, представленных в табл. 4, при 23 °C можно отметить высокую степень окисления некоторых элементов в микроструктурах (спектры 42, 44, 46) при участии Actynomyces sp. шт. 45 ВД. Минимальный вклад кислорода отмечен в тех микроструктурах, в которых согласно элементному составу происходила кристаллизация NaCl (спектры 47, 50). Важно подчеркнуть, что в вариантах эксперимента Fe в растворенном состоянии отсутствовало, но в микроструктурах на поверхности частиц не зависимо от температуры оттаивания в большинстве случаев присутствовало Fe. Эти результаты свидетельствуют о том, что состав растворенных элементов вокруг тела оползня может существенно изменяться при сезонных изменениях температуры и смене доминантных форм в структуре микробных сообществ.

Исследования трансформации силикатных пород in vitro при разном сочетании абиогенных (замораживание-оттаивание, разный диапазон оттаивания, присутствие гуминовых веществ) и биогенных факторов (разные виды микроорганизмов, выделенные из поверхностных и придонных слоев воды в зоне влияния Бурейского оползня, природный консорциум горной породы) показали возможность существования разных механизмов разрушения горных пород в зависимости от сочетания температуры оттаивания и специфики микробного метаболизма при конкретных условиях.

При взаимодействии горных пород с гумифицированными водами “горячей точкой” на БВДХ на неопределенный период времени может выступать место локации оползня, значительная часть которого находится под водой, а в зимний период подо льдом. За счет разрушения кристаллической решетки минералов в водные массы может поступать широкий спектр химических элементов и микробных метаболитов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования трансформации горных пород in vitro при разном сочетании абиогенных и биогенных факторов свидетельствуют о важной роли биогеохимических процессов. В результате сезонного замерзания и оттаивания пород на береговых склонах водохранилища в присутствии гуминовых веществ автохтонные группы микроорганизмов из поверхностных и придонных слоев воды проявляют разную активность. В период ледостава при взаимодействии вода(лед)–порода–микробиом может происходить разрушение кристаллической решетки минералов и в воду вокруг оползня будут поступать различные химические элементы. Экспериментально показано, что в результате циклического замерзания-оттаивания в зависимости от температуры оттаивания и присутствия гуминовых веществ, характер метаболизма микроорганизмов-деструкторов может существенно изменяться. Высокую активность после ЦЗО и оттаивании при 4 °C проявляли микроорганизмы, образующие мицелий Actinomyces sp. 45 ВД из придонных слоев воды и природные консорциумы микроорганизмов, ассоциированных с поверхностью минеральных частиц, которые использовали в качестве источника углерода и энергии стойкие гуминовые вещества. Сравнительный анализ изменения элементного состава в водной среде при выщелачивании в присутствии деионизированной воды и гумата натрия показал, что в условиях циклического замерзания-оттаивания максимальную активность проявляли бактерии, продуцирующие слизистые полимеры и образующие биопленки на поверхности частиц породы. Несмотря на низкую активность трансформации гумата натрия штамм Arthrobacter sp. 13 НП активно выщелачивал в водную среду ряд элементов (Ca, Mn, Mg, Сo, Ni и As). Трансформация породы и образование вторичных биоминералов доказаны с помощью сканирующей электронной микроскопии. При значительной эрозии поверхности частиц породы при участии Actinomyces sp. 45 ВД и температуре оттаивания 4 °C выщелачивались в водную среду в значительном количестве такие элементы как Al, Ca, Mn и Cr. Дополнительно, независимо от температуры оттаивания выщелачивались Сo, Ni и As. Ярко выраженное отсутствие в растворах ионов Fe во всех вариантах оттаивания свидетельствует об образовании железо-гуматных комплексов, которые могли служить в качестве предшественников для образования вторичных железосодержащих биоминералов. В результате выветривания горных пород водные экосистемы с гумифицированными водами в зависимости от динамики микробиологических процессов могут быть лимитированы ионами железа, и насыщены токсичными элементами.

Авторы признательны научному редактору статьи М. И. Дину и рецензентам за детальные редакционные замечания, позволившие улучшить текст рукописи, выражают благодарность за помощь в проведении работ на сканирующем электронном микроскопе Н. С. Коноваловой сотруднику ИТИГ ДВО РАН.

Работа выполнена в рамках темы Государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ № 121021500060-4.

About the authors

L. М. Kondratyeva

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Dikopoltsev St., 56, Khabarovsk, 680000

D. V. Andreeva

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Dikopoltsev St., 56, Khabarovsk, 680000

Е. М. Golubeva

Yu.A. Kosygin Institute of Tectonics and geophysics Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Kim Yu Chen St., 65, Khabarovsk, 680000

Z. N. Litvinenko

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Dikopoltsev St., 56, Khabarovsk, 680000

References

Supplementary files