Биогеохимические аспекты трансформации гуминовых веществ и силикатных пород при замерзании-оттаивании

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В северных регионах в результате сезонных изменений температуры происходит циклическое оттаивание-замерзание почв и пород, которое сопровождается опасными природными явлениями, включая оползни. Особые условия складываются на горных склонах многих водохранилищ при флуктуациях уровня воды и взаимодействии гумифицированных вод с горными породами. В работе представлены результаты экспериментального исследования биотрансформации гумата натрия (ГNa) и изменения микроструктуры поверхности силикатной породы, входящей в состав тела Бурейского оползня при различных условиях циклического замерзания/оттаивания (ЦЗО). Замораживание образцов проводили при температуре –18 °C, а оттаивание при разном диапазоне температур (+4 °C и +23 °C). В роли биогенного фактора выступали 4 штамма микроорганизмов, выделенных из поверхностных и придонных слоев воды Бурейского вдхр. выше и ниже тела оползня. Характер биотрансформации ГNa при ЦЗО исследовали спектральными методами при разных длинах волн (254 нм, 275 нм, 465 нм). Анализ состава водорастворимых форм химических элементов в водной среде при разрушении породы проводили методом ICP-MS, а изменение микроструктуры ее поверхности с использованием сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что наиболее активно происходила трансформация ароматической составляющей ГNa. После ЦЗО максимальную активность при температуре оттаивания +4 °C по отношению к ГNa и выщелачиванию элементов из породы (Al, Ca, Mg, Mn) проявлял штамм Аctinomyces sp. 45 ВД, выделенный из придонных слоев воды. Его активность была сопоставима с интенсивностью выщелачивания элементов природным микробным консорциумом нестерильной породы. Для сравнения использовали породы, прошедшие ЦЗО в деионизированной воде, в этом варианте содержание водорастворимых форм многих химических элементов (Fe, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Ag, Cd, Tl, Bi, As) было ниже пределов обнаружения прибора (<0.001 мкг/дм3). Высокая биогеохимическая активность Аctinomyces sp. 45 ВД подтверждается анализом СЭМ изображений микроструктуры поверхности силикатной породы и формированием большого разнообразия изоморфных биоминералов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. М. Кондратьева

Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: freckles2008@yandex.ru
Россия, ул. Дикопольцева, 56, Хабаровск, 680000

Д. В. Андреева

Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН

Email: freckles2008@yandex.ru
Россия, ул. Дикопольцева, 56, Хабаровск, 680000

Е. М. Голубева

Институт тектоники и геофизики Дальневосточного отделения РАН им. Ю. А. Косыгина

Email: freckles2008@yandex.ru
Россия, ул. Ким-Ю-Чена, 65, Хабаровск, 680000

З. Н. Литвиненко

Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН

Email: freckles2008@yandex.ru
Россия, ул. Дикопольцева, 56, Хабаровск, 680000

Список литературы

  1. Зеркаль О. В., Махинов А. Н., Кудымов А. В., Харитонов М. Е., Фоменко И., Барыкина О. С. (2019). Буреинский оползень 11 декабря 2018 г. Условия формирования и особенности механизма развития. Гео Риск. 13 (4), 18–30.
  2. Коковкин А. А. (2020). Феномен Бурейского оползня: данные полевых исследований и модель формирования. Отечественная геология. 4–5, 48–63.
  3. Кондратьева Л. М., Литвиненко З. Н., Филиппова Г. М. (2020). Экологический риск образования летучих органических веществ после крупного оползня. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. 3, 167–174.
  4. Кулаков В. В., Махинов А. Н., Ким В. И., Остроухов А. В. (2019). Катастрофический оползень и цунами в водохранилище Бурейской ГЭС (бассейн Амура). Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. 3, 12–20.
  5. Махинов А. Н., Ким В. И., Остроухов А. В., Матвеенко Д. В. (2019). Крупный оползень в долине реки Бурея и цунами в водохранилище Бурейской ГЭС. Вестник Дальневосточного отделения РАН. 2, 35–44
  6. Махинов А. Н., Махинова А. Ф., Левшина С. И. (2020). Оценка смыва водно-ледяным цунами почвенного покрова и качество воды в районе оползня на Бурейском водохранилище. Метеорология и гидрология. 11, 64–73.
  7. Ширшова Л. Т., Гиличинский Д. А., Остроумова Н. В., Ермолаев А. М. (2015). Применение спектрофотометрии для определения содержания гуминовых веществ в многолетнемерзлых отложениях. Криосфера Земли. 19(4), 107–113.
  8. Bell N. G.A., Murray L., Graham M. C., Uhrin D. (2014). NMR methodology for complex mixture ‘separation’. Chem. Commun. 50(14), 1694.
  9. Birdwell J. E., Engel A. S. (2010). Characterization of dissolved organic matter in cave and spring waters using UV–Vis absorbance and fluorescence spectroscopy. Organic Geochemistry. 41, 270–280.
  10. Bloom P. R., Leenheer J. A. (1989) Vibrational, electronic, and high-energy spectroscopic methods for characterizing humic substances. Humic Substances II — In Search of Structure /M.H.B. Hayes, P. MacCarthy, R. L. Malcolm, R. S. Swift (eds.). Chichester, USA, Wiley, 409–446.
  11. Chai B., Yin K., Jian W., et al. (2009) Analysis of water-rock interaction characteristics and bank slope failure process of red-bed. Journal of Central South University (Science and Technology) 4, 1092–1098
  12. Chen J., Gu B., LeBoeuf E.J. et al. (2002). Spectroscopic characterization of the structural and functional properties of natural organic matter fractions. Chemosphere. 48(1), 59–68.
  13. Christidis G. (2011). Industrial clays. EMU Notes in Mineralogy. Chapter 9, 341–414.
  14. Cory R. M., McKnight D.M. (2005). Fluorescence spectroscopy reveals ubiquitous presence of oxidized and reduced quinones in dissolved organic matter. Environmental Science and Technology. 39, 8142–8149.
  15. Deng H. F., Zhou M. L., Li J. L., Sun X. S., Huang Y. L. (2016). Creep degradation mechanism by water-rock interaction in the red-layer soft rock. Arab J. Geosci. 9: е 601
  16. Dreischmeier K., Budke C., Wiehemeier L., Kottke T., Koop T. (2017). Boreal pollen contain ice-nucleating as well as ice-binding “antifreeze” polysaccharides. Sci. Rep. 7, 1–13
  17. Esparza-Soto M., Westerhoff P. (2003) Biosorption of humic and fulvic acids to live activated sludge biomass. Water Research. 37(10), 2301–2310.
  18. Fesharaki O., Garcia-Romero E., Cuevas-Gonzalez J., Lopez-Martinez N. (2007). Clay mineral genesis and chemical evolution in the Miocene sediments of Samosaguas, Madrid Basin, Spain. Clay Minerals. 42, 187–201
  19. Gao M., Li T., Zhu J., Yin H., Yang Y. (2021). An Analysis of Relationship between the Microfracture Features and Mineral Morphology of Granite. Advances in Civil Engineering. Article ID4765731
  20. Hou N., Wen L., Cao H., Liu K., An X., Li D., Wang H., Du X., Li Ch. (2017). Role of psychotrophic bacteria in organic domestic waste composting in cold regions of China. Bioresour Technol. 236, 20–28
  21. Kramshøj M., Albers C. N., Holst T. et al. 2018. Biogenic volatile release from permafrost thaw is determined by the soil microbial sink. Nat Commun. 9. e-3412.
  22. Kulikova N. A., Perminova I. V. (2021) Interactions between humic substances and microorganisms and their implications for nature-like bioremediation technologies. Molecules. 26. Е 2706.
  23. Kumar S. (2006). Organic chemistry. Spectroscopy of Organic Compounds. Guru Nanak Dev University. 36 р.
  24. Lee J. U. and Fein J. B. (2000). Experimental study of the effects of Bacillus subtilis on gibbsite dissolution rates under near-neutral pH and nutrient-poor conditions. Chem. Geol. 166, 193–202.
  25. Lee B. M., Seo Y. S., Hur J. (2015). Investigation of adsorptive fractionation of humic acid on graphene oxide using fluorescence EEM-PARAFAC. Water Research. 73, 242.
  26. Li T., Kong L., Liu B. (2020). The California Bearing Ratio and Pore Structure Characteristics of Weakly Expansive Soil in Frozen Areas. Appl. Sci., 10. e 7576.
  27. Lipczynska-Kochany E. (2018). Effect of climate change on humic substances and associated impacts on the quality of surface water and groundwater: A review. Sci. Total Environ. 640–641, 1548.
  28. Liu X, Fu Y, Wang Y (2009) Stability of reservoir bank slope under water-rock interaction. Rock Soil Mech. 3, 613–616,
  29. Luo J., Tang L., Ling X., Geng L. (2018). Experimental and analytical investigation on frost heave characteristics of an unsaturated moderately expansive clay. Cold Reg. Sci. Technol., 155, 343–353.
  30. Manyapu V., Lepcha A., Sharma S. K., Kumar R. (2022). Role of psychrotrophic bacteria and cold-active enzymes in composting methods adopted in cold regions. Chapter One. Advances in Appl. Microbiology. 121, 1–26.
  31. Margesin R. and Collins T. (2019). Microbial ecology of the cryosphere (glacial and permafrost habitats): current knowledge. Appl. Microbiology and Biotechnology. 103, 1–13.
  32. Messan K. S., Jones R. M., Doherty S. J. et al. (2020). The role of changing temperature in microbial metabolic processes during permafrost thaw. PLoS ONE, 15(4). e0232169.
  33. O’Donnell J. A., Aiken G. R., Walvoord M. A., Raymond P. A. et al. (2014). Using dissolved organic matter age and composition to detect permafrost thaw in boreal watersheds of interior Alaska. J. Geophys. Res. Biogeosci. 119, 2155–2170.
  34. Olk D. C., Bloom P. R., Perdue E. M., McKnight D. M. et al. (2019). Environmental and Agricultural Relevance of Humic Fractions Extracted by Alkali from Soils and Natural Waters. J. of Environmental Quality. 48(2), 217–232
  35. Perminova I. V. (2019). From green chemistry and nature-like technologies towards ecoadaptive chemistry and technology. Pure Appl. Chem. 91(5), 851–864
  36. Piccolo A. (2001). The supramolecular structure of humic substances. Soil Science. 166(11), 810–832.
  37. Pokrovsky O. S., Karlsson J., Giesler R. (2018). Freeze-thaw cycles of Arctic thaw ponds remove colloidal metals and generate low-molecular-weight organic matter. Biogeochemistry. 137, 321–336.
  38. Puente M. E., Rodriguez-Jaramillo M.C., Li C. Y., Bashan Y. (2006). Image analysis for quantification of bacterial rock weathering. J. Microbiol. Methods. 64, 275–286.
  39. Rupiasih N. N., Vidyanagar P. B. (2005). A Review: Compositions, Structures, Properties and Applications of Humic Substances. International J. Advanced Science and Technology. 8(I–II), 16.
  40. Shirokova L. S., Bénézeth P., Pokrovsky O. S., Gerard E., Ménez B., Alfredsson H. (2012). Effect of the heterotrophic bacterium Pseudomonas reactans on olivine dissolution kinetics and implications for CO2 storage in basalts. Geochim. Cosmochim. Acta. 80, 30–50.
  41. Shirshova L. T., Kholodov A. L., Zolotareva B. N. et al. (2009). Fluorescence spectroscopy studies of humic substance fractions isolated from permanently frozen sediments of Yakutian coastal lowlands. Geoderma. 149(1–2), 116–123.
  42. Song W., Ogawa N., Oguchi C. T., Hatta T., Matsukura Y. (2007). Effect of Bacillus subtilis on granite weathering: a laboratory experiment. Catena. 70, 275–281.
  43. Struvay С. and Feller G. (2012). Optimization to Low Temperature Activity in Psychrophilic Enzymes. Intern. J. of Molecular Sciences. 13(9), 11643–11665.
  44. Štyriaková I., Štyriak I., Oberhänsli H. (2012). Rock weathering by indigenous heterotrophic bacteria of Bacillus spp. at different temperature: a laboratory experiment. Mineralogy and Petrology. 105(3–4), 135–144.
  45. Tribelli P. M., López N. I. (2018). Reporting Key Features in Cold-Adapted Bacteria. Life. 8(8). е8010008
  46. Vincent W. F., Lemay M., Allard M. (2017). Arctic permafrost landscapes in transition: Towards an integrated Earth system approach. Arct. Sci. 3, 39–64.
  47. Wang Y., Li C. H., Liu H., Han J. Q. (2020). Fracture failure analysis of freeze–thawed granite containing natural fracture under uniaxial multi-level cyclic loads. Theoretical and Appl. Fracture Mechanics. 110. e 102782.
  48. Wang Y., Yi X., Gao S., Liu H. (2021). Laboratory Investigation on the Effects of Natural Fracture on Fracture Evolution of Granite Exposed to Freeze-Thaw-Cyclic (FTC) Loads. Geofluids. е 6650616. 20 pages.
  49. Yang Y., Zhang N., Wang J. (2022). Study on the Effect of Negative Temperature Change on the Fracture Morphology of Granite under Impact. Geofluids. е 4918680. 13 pages.
  50. Zona D. (2016). Long‐term effects of permafrost thaw. Nature. 537(7622), 625–626.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
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.

Скачать (315KB)
Метаданные
3. 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.

Скачать (308KB)
Метаданные
4. Рис. 3. СЭМ изображение поверхности образцов сухой породы после циклического замерзания (–18 °C) и оттаивания при разной температуре: а — 4 °C; б — 23 °C.

Скачать (690KB)
Метаданные
5. 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).

Скачать (729KB)
Метаданные
6. 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.

Скачать (367KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024