CC BY
1
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
УДК 631.412:631.74:551
DOI:10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-132-142
ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОТОКОВ МАЛМЫЖСКОГО ГОРНОГО МАССИВА
Г. В. Харитонова1*, А. В. Остроухов1, В. И. Ким1, З. Тюгай2, В. О. Крутикова1'3
1 Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, 680000, Россия, г. Хабаровск, ул. Дикопольцева, д. 56
2 МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
3 Институт тектоники и геофизики имени Ю.А. Косыгина ДВО РАН, 680000, Россия, Хабаровск, ул. Ким-Ю-Чена, д. 65 * E-mail: gkharitonova@mail.ru
Методами рентгенофлюоресцентного, электронно-микроскопического, седиментационного анализов и лазерной дифрактометрии изучен состав донных отложений поверхностных водотоков участка Малмыжской гряды, выделенного под строительство горно-обогатительного комбината (Хабаровский край, Россия). Установлено, что донные отложения береговой зоны водотоков исследуемого участка характеризуются близким валовым составом и физико-химическими свойствами (pH, плотность твердой фазы, общее содержание углерода, краевой угол смачивания CAW). Представлены они главным образом мелкоземом с высокой долей взвешенных наносов, в составе которых преобладает фракция крупной пыли (размер частиц <2 мм, <0,1 мм и 0,01-0,05 мм соответственно). Показано, что лесосведение в истоках водотоков, сопровождаемое эрозией почв, приводит к существенному возрастанию дисперсности отложений (рост доли взвешенных наносов до 90%) в верхнем течении. Вниз по течению с удалением от мест рубок влияние лесосведения на дисперсность отложений затухает. Содержание взвешенных наносов снижается до величин, характерных для водотоков, на водосборе которых лесосведение не проводилось. Выявлена существенная микроагре-гированность взвешенных наносов водотоков, в образовании микроагрегатов диагностировано участие микробиоты — раковинных амеб ксеносомных таксонов, диатомовых водорослей и Fe-редуцирующих бактерий. Последние участвуют в образовании вивианита на поверхности железисто-глинистых микроагрегатов при повышенном содержании фосфатов после пожаров. Предложен механизм образования в донных отложениях тороидальных микроформ ватерита с участием цианобактерий семейства Spirulinaceae.
Ключевые слова: лесосведение, эрозия почв, донные отложения, вивианит, ватерит, Малмыжская гряда, Дальний Восток России.
Введение
Донные отложения поверхностных водотоков являются важным источником информации об экологических условиях на территории водосбора и традиционно используются в качестве индикатора для выявления и оценки интенсивности и масштаба техногенной нагрузки. Динамика и состав отложений тесно связаны с процессами эрозии почв на водосборе, как естественной, так и техногенной — в результате проведения горных работ, добычи полезных ископаемых открытым способом, строительства дорог, лесосведения и т.п. Техногенная нагрузка на 1-2 порядка усиливает темпы эрозии почв по сравнению с естественными фоновыми показателями [Дымов, 2017; Дымов и др., 2022; Brandon, Pinter, 2005; Golosov, Wölling, 2019; Owens, 2022]. Донные отложения играют большую роль не только в накоплении ряда макро- и микроэлементов, но и в формировании самоочищающей способности водотока и принимающих водоемов [Förstner, Wittmann, 1983].
До начала ХХ1-ого века территория Малмыж-ского горного массива (Дальний Восток, Россия) техногенной нагрузки практически не испытывала за исключением строительства дорог к населенным пунктам (села Верхний Нерген и Малмыж) и лесозаготовок, которые сопровождались прокладкой волоков и лесовозных дорог. Ситуация кардинально изменилась после того, как в 2006 году было открыто Малмыжское золото-медно-порфи-ровое месторождение. Геологическая доразведка и оценка запасов основных рудных компонентов (2018-2020 гг.) показали, что по запасам меди это месторождение мирового класса. «Русской медной компанией» было принято решение о строительстве горно-обогатительного комбината. Проект освоения месторождения и извлечения медного концентрата предусматривает использование поточных технологий на открытых горных работах (при транспортировке горной массы), поэтапное измельчение руды (до крупности зерна 0,030 мм) с последующей флотацией «рудной» пыли. После реализации проекта (2024-2025 гг.) мощность ГОКа
мшв
© Харитонова Г.В., Остроухов А.В., Ким В.И., Тюгай З., Крутикова В.О., 2023 132
должна достигнуть переработки 90 млн т руды в год и получения до 250 тыс. т меди в концентрате [Максимов, 2021; Драгоценная медь..., 2022].
На первоначальном этапе освоения Малмыжского золото-медно-порфирового месторождения и строительства горно-обогатительного комбината и объектов технологического комплекса (карьеры, отвалы вскрышных пород, хвостохранилища и др.) локально в верховьях водотоков было проведено лесосведение (рис. 1). Известно, что лесосведение на водосборной территории приводит к существенному увеличению скорости и темпов эрозии почв, поверхностного стока, потока и поступления наносов (суспендированного материала) в донные отложения водотоков. Поступление наносов с водоразделов определяется главным образом скоростью эрозии почв выше по течению и максимально проявляется в первые годы после лесосведения [Brandon, Pinter, 2005; Horton et al., 2017; Owens, 2022].
Цель работы — изучение особенностей состава и динамики донных отложений поверхностных водотоков участка Малмыжской гряды, выделенного под строительство горно-обогатительного комбината, и влияния лесосведения в верховьях водото-
ков на эрозию почв и сток наносов на первоначальном этапе строительства. Это продолжение наших исследований Амура и его притоков [Чижикова и др., 2011; Сиротский и др., 2014; Харитонова и др., 2019, 2020]. В данной статье рассмотрены донные отложения малых водотоков до начала освоения Малмыжского золото-медно-порфирового месторождения.
Объекты и методы исследования
Работы проводились в нижнем течении р. Амур на водотоках Малмыжского горного массива (Нанайский район, Хабаровский край). В климатическом отношении рассматриваемая территория относится к Болоньскому району Среднеамурской провинции, входящей в состав муссонной лесной климатической области [Алисов, 1969; Петров и др., 2000]. Воздействие муссонных процессов на формирование климата этой территории проявляется наиболее отчетливо. Во вторую половину лета сюда с акватории Тихого океана происходит вынос теплого и влажного морского воздуха с тропическими циклонами (тайфунами). Лето можно охарактеризовать как теплое. Зима же вследствие поступления холодных масс воздуха с северными
1 О 2 «d 3
Рис. 1. Схематическая карта исследуемого участка: 1— границы участка, 2 — места отбора проб; 3 — участки лесосведения
и северо-западными потоками холодная или очень холодная.
Среднегодовое количество осадков по многолетним данным изменяется от 500 до 700 мм. Зима продолжительная (135 дней) и суровая. Она наступает в начале ноября, ее приход сопровождается резким снижением температуры воздуха и сильными ветрами. На длительный период устанавливаются безоблачные морозные дни. Грунты промерзают на глубину до 2,0 м и более.
Рельеф территории относится к низкогорному (высоты до 300-345 м) средне расчлененному эрози-онно-денудационному типу. В геологическом и орографическом плане Малмыжский горный массив является продолжением Сихотэ-Алиня. Его северозападные склоны характеризуются значительной крутизной (до 35-40 градусов), расчленены многочисленными крутосклонными распадками временных водотоков. Склоны юго-восточной экспозиции, более пологие и длинные, осложнены отрогами юго-восточного направления, образованными довольно глубокими долинами малых водотоков с субпараллельным направлением течения.
Выделенная для строительства горно-обогатительного комбината территория включает бассейны рек, впадающих в припойменные амурские озера Калтахэвэн, Большая и Малая Шарга, Джалунское. Это озера достаточно большого пойменно-руслово-го расширения р. Амур, которое ниже по течению пережимается небольшими возвышенностями: с левобережья — приболоньские высоты, с правобережья — Малмыжская гряда. Исследуемый нами участок (рис. 1) расположен в пределах небольшого по размерам горного массива с бурыми лесными почвами под кедрово-широколиственными лесами. Он включает бассейны рек, впадающих в оз. Большая и Малая Шарга: р. Биха — 7,5 км, р. Купчу — 7 км, р. Яо — 11 км, ручьи Глубокий и Холодный. Водотоки берут начало с Малмыжской гряды, текут в южном направлении и характеризуются достаточно большими уклонами, небольшой протяженностью и низкой извилистостью. Речные долины малых водотоков в пределах горной территории согласуются с тектоническими нарушениями и зонами разломов земной коры. В этом случае долины приобретают прямолинейность на значительном протяжении и имеют У-образный или ящикообразный профиль с крутыми склонами. Поймы в этих водотоках отсутствуют или образуют местами узкие фрагменты шириной до нескольких десятков метров.
Реки принадлежат Манома-Гурскому подрайону и по условиям водного режима относятся к дальневосточному типу, характерной чертой которого является хорошо выраженное преобладание дождевого стока. Их отличает паводочный режим в течение всего теплого периода и сравнительно высокий сток в зимний период (результат влияния
грунтовых вод). Горный характер и климат территории обусловливает неустойчивость почв к механическому воздействию и активность русловых процессов.
Объект изучения — донные отложения основных малых водотоков участка строительства Малмыжского горно-обогатительного комбината. Отбор проб проведен в июле 2020 года после лесо-сведения в верховьях водотоков на начальном этапе строительства, до начала освоения месторождения, что позволяет отнести состояние и свойства отложений к условно неизмененным. В береговой зоне водных объектов было отобрано девять образцов: точка 1 — оз. Малая Шарга, низменный юго-западный берег (49,862o с.ш. 136,941o в.д.); точка 2 — оз. Малая Шарга, возвышенный северо-западный берег (49,872o с.ш. 136,920o в.д.); точка 3 — р. Биха, среднее течение (49,893o с.ш. 136,884o в.д.); точка 4 — р. Купчу, среднее течение (49,903o с.ш. 136,938o в.д.); точка 5 — р. Яо, верхнее течение (49,921o с.ш. 136,984o в.д.); точка 6 — руч. Глубокий, верхнее течение (49,954o с.ш. 137,024o в.д.); точка 7 — руч. Глубокий, нижнее течение (49,904o с.ш. 137,044o в.д.); точка 8 — руч. Холодный, среднее течение (49,924o с.ш. 137,057o в.д.); точка 9 — р. Полен, нижнее течение (49,884o с.ш. 137,045o в.д.). Для сравнения использовали ранее полученные результаты анализа состава и свойств донных отложений р. Симми (заповедник «Болоньский») [Харитонова и др., 2020] на левобережной части пойменно-руслового расширения р. Амур.
При отборе использовали стандартное оборудование и методики [Наставления..., 1975; Руководство..., 2012]. Основные методы исследования — гранулометрический и валовой химический анализы, растровая электронная микроскопия (РЭМ анализ) — дополнены стандартными физико-химическими методами [Вадюнина, Корчагина, 1973; Шеин и др., 2017]. Гранулометрический состав определяли методом седиментации (распределение по массе) по Качинскому, микроагрегатный — методом лазерной дифракции (распределение по объему) [Rawl, 2014]. Лазерную дифрактометрию образцов проводили на анализаторе размера частиц SALD-2300 (проточная ячейка) (SHIMADZU, Япония). Для этого водную суспензию образца (навеска зависит от абсорбции полученной суспензии и в среднем составляет от 0,5 до 1 г) перед анализом в течение 10 с обрабатывали ультразвуком (встроенный ультразвуковой диспергатор для гомогенизации проб). РЭМ анализ проведен с использованием растрового электронного микроскопа VEGA 3 LMH (TESCAN, Чешская республика). Для съемки образцы (предварительно растерты и просеяны через сито 2 мм) были подготовлены методом просыпки, напыление — Pt, увеличение — до 20000. Для анализа фаз с высоким атомным числом
дополнительно к детектору вторичных электронов (SE-детектор) был использован детектор обратно рассеянных электронов (BSE-детектор). При получении изображений с помощью BSE-детектора фазы с высоким средним атомным числом отражаются в контрасте более ярко по сравнению с фазами с меньшим атомным числом. Для анализа элементного состава наиболее репрезентативных участков использовался энергодисперсионный спектрометр X-max 80 (Oxford Instruments, Великобритания). Валовой состав воздушно-сухих образцов определяли рентгенофлуоресцентным методом (РФА) на приборе Pioneer S4, Bruker AXS (Германия) по силикатной методике. РЭМ и РФА анализы выполнялись в аналитическом центре ИТиГ ДВО РАН, Хабаровск. Удельную поверхность определяли методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе удельной поверхности серии СОРБТОМЕТР-М, Сорг — методом кулонометрического титрования в токе кислорода на экспресс-анализаторе углерода АН-7529-М (Гомель, Беларусь). Измерение краевого угла смачивания проводили методом статической капли с помощью системы анализа формы капли DSA 100 (KRÜSS, GmbH, Германия) [Tyugai, Milanovskiy, 2015].
Результаты
Краткая физико-химическая характеристика образцов представлена в табл. 1. Согласно полученным данным, донные отложения исследуемого участка характеризуются близкими физико-химическими свойствами (pH, плотность твердой фазы, общее содержание углерода, краевой угол смачивания CAW). Исключение составили прибрежные отложения оз. Малая Шарга и отложения руч. Холодный (т. 8). Донные отложения руч. Холодный (т. 8) по сравнению с другими выделяются повышенным содержанием Собщ. (8,1% при среднем содер-
Таблица 1
Физико-химическая характеристика донных отложений водотоков Малмыжского горного массива
Точка отбора рНвод рНсол W 11 гигр, % г-см-3 S, м2-г-1 CAW, о С, %
1 5,2 3,9 1,55 2,б5 2,4 58,5 1,1б
2 5,2 4,3 2,88 2,б5 l,2 31,1 1,33
3 5,2 3,9 3,00 2,49 5,4 44,3 1,l5
4 б,б 4,3 3,38 2,32 8,9 45,1 1,54
5 5,2 4,3 3^ 2,54 5,2 5б,4 2,35
б 5,4 3,9 2,99 2^ б,4 48,8 1,l3
l 5,0 3,8 4,30 2,55 б,1 50,3 3,31
8 5,2 3,8 б,б3 2,35 2,1 б0,1 8,12
9 5,2 3,8 2,50 2,5l б,5 53,2 1,55
Примечание. р — плотность твердой фазы, S — удельная поверхность по N2, CAW — краевой угол смачивания, С — содержание углерода во фракции <0,25 мм.
жании 1,9%), это связано с высоким содержанием переносимого мелкодисперсного детрита. Удаление последнего перед анализом без потери минеральных компонентов не представлялось возможным. Донные отложения северо-западного берега озера (т. 2) вследствие проточного характера участка и влияния паводков (в прямом и обратном направлении) отличаются повышенной гидрофильностью. Краевой угол смачивания отложений в т. 2 составил 31,1о при средних значениях на исследуемом участке в 51,2о.
За исключением прибрежных отложений оз. Малая Шарга (т. 1, низменный юго-западный берег
Таблица 2
Валовой состав донных отложений водотоков Малмыжской гряды, %
Точка отбора SÍO2 TiO2 AI2O3 Fe2O3 MnO CaO MgO Na2O K2O ППП P2O5, мг-кг-1
1 l4,88 0,35 10,99 2,43 0,04 0,61 1,22 2,11 2,62 4,40 810
2 61,43 0,55 12,14 3,24 0,01 0,90 0,98 3,03 2,50 9,43 1200
3 б5,98 0,65 13,61 3,21 0,06 0,11 1,21 3,13 2,38 9,42 860
4 62,18 0,14 15,59 4,61 0,08 0,52 1,18 2,22 2,89 9,98 1140
5 63,28 0,11 13,46 4,16 0,01 0,82 0,99 2,81 2,40 11,96 1220
б 60,60 0,10 14,01 3,45 0,05 0,83 0,91 2,18 2,25 16,16 1130
l 64,98 0,10 13,93 3,81 0,06 0,15 1,01 3,45 2,53 9,06 810
8 65,99 0,16 13,05 3,83 0,11 0,81 1,06 2,14 2,02 9,18 1140
9 65,14 0,11 12,98 4,41 0,11 0,86 0,80 3,45 2,31 9,52 1450
Примечание. ППП — потери при прокаливании.
Таблица 3
Распределение частиц в донных отложениях водотоков Малмыжской гряды, %
Номер точек отбора Размер фракций, мм
<0,1* <0,01 <0,001 0,001-0,005 0,005-0,01 0,01-0,05 0,05-0,25 0,25-1
1 30,40 16,67 9,00 3,89 3,78 18,82 39,09 25,42
2 60,70 24,86 12,96 11,02 0,88 39,38 23,60 12,16
3 88,50 30,85 11,11 9,12 10,62 52,08 17,07 0,00
4 91,20 59,32 13,55 22,10 23,67 33,82 5,58 1,28
5 77,80 39,37 15,06 14,64 9,67 37,53 22,68 0,42
6 92,40 44,94 17,44 22,88 7,62 47,90 7,16 0,00
7 79,70 41,02 17,25 13,53 10,24 42,70 16,28 0,00
8 75,70 51,12 18,29 19,82 13,01 40,35 8,53 0,00
9 83,60 32,23 15,72 14,15 2,32 59,93 7,84 0,00
Примечание. * — взвешенные наносы, микроагрегатный состав (метод лазерной дифрактометрии).
озера, остаток древнего песчаного берегового вала р. Амур) с повышенным содержанием 8Ю2, отложения водотоков Малмыжской гряды характеризуются и близкими значениями валового химического состава (табл. 2). Так, с учетом потерь при прокаливании стандартное отклонение содержания 8Ю2 и А1203 не превышает 2%, остальных оксидов макроэлементов — 0,4%. Отметим, что содержание в отложениях Fe2O3 почти в 5 раз выше, чем СаО (3,9 и 0,8% соответственно, средние значения).
Данные гранулометрического состава отложений, которые характеризуют условия аккумуляции наносов, их способность к переносу водным потоком, и в том числе процессы выноса и накопления взвешенных наносов в результате техногенной нагрузки, отличаются существенно большей вариабельностью. Согласно полученным данным (табл. 3), отложения береговой зоны водотоков представлены главным образом мелкоземом (размер частиц <2 мм) с высокой долей (до 90%) взвешенных наносов (размер частиц <0,1 мм). В их составе преобладает фракция крупной пыли 0,01-0,05 мм (до 60%). Вместе с тем в отложениях юго-западной части береговой зоны оз. Малая Шарга (т. 1) превалирует фракция мелкого песка 0,05-0,25 мм (39%). Ее содержание велико и в отложениях северо-западной части озера (т. 2), но, как и на остальных точках опробования, преобладает фракция крупной пыли. Содержание взвешенных наносов в отложениях озера составляет 30 и 61% (тт. 1 и 2 соответственно).
Наибольшим содержанием взвешенных наносов 88-92% характеризуются отложения рр. Биха, Купчу и руч. Глубокий, верхнее течение (тт. 3, 4 и 6 соответственно), в истоках которых было проведено лесосведение. Кроме того, тт. 3 и 6, находящиеся ближе всего к местам рубок, по сравнению с остальными точками опробования, отличались и
максимальной мутностью воды. Важно отметить, что влияние лесосведения на дисперсность отложений по мере удаления от них затухает. Вниз по течению с удалением от мест рубок мутность снижалась, как уменьшалось и содержание взвешенных наносов до величин, отмеченных в руч. Холодный (до 76-80%, тт. 5, 7 и 8 соответственно), на водосборе которого лесосведение не проводилось. Даже с учетом естественной природной пространственной вариабельности показателей полученные данные свидетельствуют, что в результате лесосведения наблюдается обратный ход распределения дисперсности отложений вниз по течению (продольному профилю) водотоков.
Отметим, что в отложениях р. Купчу (т. 4) по сравнению с отложениями р. Яо (т. 5) существенно выше доля фракций мелкой и средней пыли (22 и 24% в первом, 15 и 10% — во втором случае соответственно), поскольку рубки затрагивали значительную часть истоков р. Купчу, в то время как близкие по площади рубки на водосборе р. Яо проводились выше ее истоков. Подобная тенденция отмечена и для пары руч. Глубокий и р. Биха (тт. 6 и 3), для которых суммарное содержание фракций мелкой и средней пыли в отложениях составило 30 и 20% соответственно.
Обсуждение
Данные гранулометрического и микроагрегатного составов донных отложений водотоков участка Малмыжской гряды, выделенного под строительство горно-обогатительного комбината, и в первую очередь содержания в них взвешенных наносов (до 90%) демонстрируют высокие темпы эрозии почв, стока наносов в результате лесосведе-ния в истоках водотоков в первый год после рубок (рр. Биха и Купчу, руч. Глубокий). Об этом свидетельствует и обратный ход распределения дисперс-
ности отложений вниз по продольному профилю водотоков. Эффект подобного влияния рубок леса на эрозию почв и сток наносов хорошо известен для бассейна р. Амазонка и ее суббасейнов с годовым количеством осадков от 2000 до 4000 мм-год-1 ^оЬзоу, ШоШ^, 2019]. Среднегодовое количество осадков по многолетним данным в районе исследований не превышает 700 мм. По-видимому, наблюдаемый эффект высоких темпов эрозии почв и стока наносов в результате сплошных рубок на исследуемой территории определяется эрозионной способностью осадков (одного из ключевых движущих факторов водной эрозии почв), как результат муссонных процессов — летний привнос тайфунов и соответственно сильных и продолжительных ливней.
Визуализация состава отложений водотоков методами РЭМ свидетельствует, что помимо первичных минералов, представленных класто-генными зернами размером от 50 до 500 мкм, они содержат значительное количество микроагрегатов из пылеватых частиц и глинисто-пылеватых микроагрегатов размером до 50 мкм (рис. 2а, б). В отложениях р. Полен в их образовании принимали участие и частицы тонкодисперсного детрита (рис. 2в), на которых были диагностированы выделения вивианита (рис. 2г). Ранее подобные выделения были обнаружены нами в отложениях р. Симми (левобережье р. Амур) после осенне-ве-сенних пожаров, что с большой долей вероятности может свидетельствовать о недавних пожарах в бассейне р. Полен.
В озерных отложениях в составе микроагрегатов диагностированы диатомовые водоросли. Причем в условиях замедленного течения (т. 1) доминируют пеннатные диатомеи, на участке с большей скоростью течения (т. 2) — диатомеи центрические (рис. 2д, е). В формирование микроагрегатов определенный вклад вносят и раковинные амебы ксеносомных таксонов с тестами, построенными из минеральных частиц. Поскольку характер тестов отражает седиментологический состав среды ^и СЬа1е1е1 е! а1., 2015; Qin е! а1., 2017], ксеносомы представлены главным образом пылеватыми частицами (рис. 2ж, з). Участие в образовании микроагрегатов идиосомных таксонов, тесты которых состоят из секретируемых частиц биокремния (биоморфный кремнезем) и органического покрытия (рис. 3а-в), не зафиксировано.
Наиболее высоким относительным обилием ксеносомных таксонов характеризуются отложения р. Полен (т. 7). Как показали исследования ^и СЬа1е1е1 е! а1., 2015; Qin е! а1., 2017], к значительным изменениям в сообществе раковинных амеб и смещению баланса в пользу ксеносомных таксонов приводят пожары. Наиболее вероятным объяснением этого сдвига после пожаров является прямое разрушение органического покрытия идиосомных тестов
при экстремально высоких температурах. Считается, что представители ксеносомных таксонов более устойчивы к физическому и химическому разложению. Таксоны с идиосомными тестами преобладали в донных отложениях рек, водосборы которых не подвергались пожарам (рис. 3а-г).
Обнаружение в донных отложениях исследуемого участка (безымянный приток р. Купчу) циано-бактерий семейства Spirulinaceae (рис. 3д) позволило объяснить появление и предложить механизм образования нехарактерных для донных отложений гумидной зоны выделений CaCO3 — мезокристал-лов ватерита (рис. 3е). Ватерит образуется на первой стадии осаждения карбоната кальция, при контакте с водой он крайне нестабилен и при комнатной температуре переходит в кальцит. До последнего времени считалось, что в природных условиях ватерит не образует минеральных форм. Редкие случаи его образования были зарегистрированы в зонах теплового метаморфизма и при проведении буровых работ [Friedman, Schultz, 1994]. Обнаруженные мезокристаллы имеют тороидальную форму — диаметр около 10 мкм и радиус поперечного сечения около 1 мкм. Состоят из плоских микрокристаллов толщиной 0,1-0,2 мкм и диагональю/диаметром 1-2 мкм, их упаковка «плоскость-плоскость» с угловым сдвигом приводит к образованию симметричных объемных структур — тороидальных по форме ме-зокристаллов.
Цианобактерии семейства Spirulinaceae примечательны образованием спиральных трихом — нитей из сотен клеток, связанных межклеточными взаимодействиями. Диаметр витка спирали составляет от 4 до 10 мкм, толщина трихом варьирует от 1 до 2 мкм. Как показали исследования K. Konhauser и R. Riding [2012], именно для цианобактерий этого семейства характерны выделения минеральных форм CaCO3. Это происходит в результате избирательной адсорбции катионов кальция функциональными группами экзополисахаридов, выделяемых клетками цианобактерий, и последующего взаимодействия их с карбонат-ионами. Для наглядности мы приводим упрощенную, несколько модифицированную схему K. Konhauser и R. Riding, в которой не учитывается участие бикарбонат-ионов внешнего раствора в фотосинтезе клетки (рис. 4а). Следует отметить, что в составе цианобактерий присутствуют полипептиды, содержащие низкомолекулярные аминокислоты Arg (аргинин) и Asp (аспарагиновая кислота). Сходство формы и размеров природных мезокри-сталлов ватерита и витков спирали цианобактерий семейства Spirulinaceae и способности последних к биоминерализаци CaCO3 позволяет с большой долей уверенности предполагать их участие в образовании тороидальных форм ватерита в донных отложениях. В пользу биологического механизма образования CaCO3-тороидов свидетельствует и их правосторон-
Рис. 2. Микрофотографии типичных микроагрегатов донных отложений исследуемых водотоков: а — из пылеватых частиц (т. 4, р. Купчу); б — из глинистых и пылеватых частиц (т. 5, р. Яо); в, г — с участием тонкодисперсного детрита (т. 9, р. Полен), выделенный участок — выделения вивианита, стрелка — ЭДС-анализ в точке; д, е — микроагрегаты с участием пеннатных и центрических диатомовых водорослей (оз. М. Шарга, тт. 1 и 2 соответственно); ж, з — «микроагрегаты» раковинных амеб (тт. 7 и 9, руч. Глубокий, нижнее течение, и р. Полен соответственно) (РЭМ, В8Е-детектор)
Рис. 3. Микрофотографии микробиоты донных отложений исследуемых водотоков: а-в — идиосомные раковинные амебы (т. 2 — оз. Малая Шарга, т. 4 — р. Купчу, т. 8 — руч. Холодный соответственно); г — ксеносомные раковинные амебы (т. 8, руч. Холодный); д — цианобактерии семейства Spirulinaceae; е — мезокристалл ватерита тороидальной формы (т. 3, р. Биха) (РЭМ,
BSE- детектор)
няя (против часовой стрелки) спиральная морфология (рис. 3е), присущая L-гомохиральности природных аминокислот и биомолекул [Jiang et al., 2017]. Кроме того, схема K. Konhauser и R. Riding описывает и один из возможных механизмов образования в донных отложениях вивианита (рис. 4б).
Как показали W.C. Jiang с соавторами [2017], в лабораторных условиях ex situ тороидальные микроформы ватерита иерархически организованной архитектуры образуются в присутствии хиральных L- и D-аминокислот Asp и Glu. «Лабораторные» тороиды имели диаметр до 50 мкм и радиус по-
перечного сечения до 15 мкм. Наиболее вероятной причиной столь существенной разницы в размерах выделений ватерита могут быть высокие по сравнению с природными концентрации используемых реагентов. И, во-вторых, эксперимент проводили в статических условиях. Отметим, что тороидальные микроформы CaCO3 были обнаружены нами in situ не только в отложениях р. Биха. Ранее они были диагностированы в речных и торфяных отложениях (бассейн р. Амур, Хабаровский край), возраст последних составляет более 6000 лет [Базарова и др., 2018]. По-видимому, формирование и стабильность
Рис. 4. Схема образования минеральных форм на поверхности бактериальных клеток: а — цианобактерии, б — Fe-редуцирующие бактерии. EPS — экзополисахариды, L — анионные лиганды, толстое тире — адсорбция катионов Ca2+ и гидроксидов Fe(OH)3, прерывистая стрелка — взаимодействие с карбонат-и фосфат- (силикат-, сульфат-, сульфид- и бикарбонат-) анионами A внешнего раствора [Konhauser, Riding, 2012]
тороидальных микроформ ватерита не только в лабораторных, но и в природных условиях связаны с присутствием низкомолекулярных аминокислот.
Заключение
Исследования вещественного состава донных отложений участка Малмыжской гряды, выделенного под строительство горно-обогатительного комбината, показали, что донные отложения береговой зоны водотоков исследуемого участка характеризуются близким валовым составом и физико-химическими свойствами (pH, плотность твердой фазы, общее содержание углерода, краевой угол смачивания CAW), в то время как данные гранулометрического и микроагрегатного состава отложений, который характеризует не только условия аккумуляции взвешенных наносов (размер частиц <0,1 мм) и их способность к переносу водным потоком, но и процессы эрозии почв на водосборе в результате лесосведения, отличаются существенно большей вариабельностью.
Наибольшим содержанием взвешенных наносов 88-92% характеризуются отложения рр. Биха, Купчу и руч. Глубокий (верхнее течение), в истоках которых было проведено лесосведение. По сравнению с остальными эти точки опробования отличались и повышенной мутностью воды. По мере удаления от мест рубок влияние лесосведения на дисперсность отложений затухает, отмечается обратный ход изменения дисперсности отложений вниз по продольному профилю водотоков. Вниз по течению содержание взвешенных наносов уменьшалось до величин в 76-80%, характерных для водотоков, на водосборе которых лесосведение не проводилось (ручьи Глубокий, нижнее течение, и Холодный соответственно). Полученные данные
свидетельствуют о высоких темпах эрозии почв и стока наносов в результате лесосведения в истоках водотоков (рр. Биха и Купчу, руч. Глубокий) в первый год после рубок.
Донные отложения исследуемого участка при высокой доле взвешенных наносов и преобладании в их составе фракции крупной пыли характеризуются относительно высокой степенью микроагреги-рованности. Помимо первичных минералов, представленных кластогенными зернами размером от 50 до 500 мкм, они содержат значительное количество микроагрегатов из пылеватых частиц и глинисто-пылеватых микроагрегатов размером до 50 мкм. В образовании микроагрегатов диагностировано участие микробиоты — пеннатных и центрических диатомовых водорослей и Fe-редуцирующих бактерий. Последние участвуют в образовании вивианита на поверхности железисто-глинистых микроагрегатов при повышенном содержании фосфатов после пожаров. В формирование микроагрегатов определенный вклад вносят и раковинные амебы ксеносомных таксонов. Поскольку характер тестов отражает седиментологический состав среды, ксе-носомы представлены главным образом пылеваты-ми частицами.
Обнаружение в донных отложениях исследуемого участка (безымянный приток р. Купчу) цианобактерий семейства Spirulinaceae позволило объяснить появление и предложить механизм образования нехарактерных для донных отложений гумидной зоны выделений СаС03 — мезокристал-лов ватерита, образований тороидальной формы диаметром около 10 мкм и радиусом поперечного сечения около 1 мкм. Сходство формы и размеров природных мезокристаллов ватерита и витков спирали цианобактерий семейства Spirulinaceae, способности последних к биоминерализаци СаС03 позволяют с большой долей уверенности принять допущение их участия в образовании тороидальных форм ватерита. В пользу биологического механизма образования СаС03-тороидов свидетельствует и их правосторонняя (против часовой стрелки) спиральная морфология, присущая L-гомохиральности природных аминокислот и биомолекул.
Информация о финансировании работы
Работа выполнена в рамках государственных заданий «Динамика природных и природно-хо-зяйственных систем в условиях освоения Приамурья и Приохотья» (№121021500060-4) и «Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управления» (№121040800146-3).
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алисов Б.П. Климат СССР. М., 1969.
2. Базарова В.Б., Климин М.А., Копотева Т.А. Го-лоценовая динамика восточноазиатского муссона в Нижнем Приамурье // География и природные ресурсы. 2018. № 3. https://doi.org/: 10.21782Ю^0206-1619-2018-3(124-133)
3. Вадюнина А.Ф., КорчагинаЗ.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.
4. Драгоценная медь Малмыжа // Наш регион — Дальний Восток. 2022. № 02-03 (173). https://nedradv.ru/ nedradv/ru/page_industry?obj=0a8b7ef8e482110b22e0685d 6c1e5da5 (дата обращения: 11 марта 2022)
5. Дымов А.А. Влияние сплошных рубок в бореаль-ных лесах России на почвы (обзор) // Почвоведение. 2017. № 7. https://doi.org/: 10.7868/80032180X17070024
6. Дымов А.А., Старцев В.В., Горбач Н.М. и др. Изменения почв и растительности при разном числе проездов колесной лесозаготовительной техники (средняя тайга, Республика Коми) // Почвоведение. 2022. № 11. Ы^:// doi.org/: 10.31857/80032180X22110028
7. Максимов А. Расточительство закончилось: как обеспечить медью потребности «зеленой» экономики // Эксперт. 2021. № 50 (1233).
8. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 2. Ч. II. Л., 1975.
9. Петров Е.С., Новороцкий П.В., Леншин В.Т. Климат Хабаровского края и Еврейской автономной области. Владивосток-Хабаровск, 2000.
10. Практикум по физике твердой фазы почв / Е.В. Шеин и др. М., 2017.
11. Руководство по гидрологической практике. ВМО (Всемирная Метеорологическая Организация). 2012. № 168.
12. Сиротский С.Е., Харитонова Г.В., Ким В.И. и др. Гранулометрический и микроэлементный состав донных отложений реки Амур в среднем и нижнем течении // Тихоокеан. геол. 2014. № 3.
13. Харитонова Г.В., Остроухов А.В., Тюгай З. и др. Гранулометрический состав донных отложений р. Симми (заповедник «Болоньский») // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2019. № 4.
14. Харитонова Г.В., Остроухов А.В., Тюгай З. и др. Лабильные компоненты донных отложений р. Симми (заповедник «Болоньский») // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2020. № 4.
15. Чижикова Н.П., Сиротский С.Е., Харитонова Г.В. и др. Минералогический и химический состав тонко-
дисперсной части донных отложений р. Амур // Почвоведение. 2011. № 7.
16. Brandon M.T., Pinter N. How erosion builds mountains // Scientific American (Special Editions). 2005. Vol. 15. 2s. http://doi.org/: 10.1038/scientificamerican0705-74sp
17. du Chatelet E.A., Bernard N., Delainea B. et al. The mineral composition of the tests of 'testate amoebae' (Amoe-bozoa, Arcellinida): The relative importance of grain availability and grain selection // Revue de Micropaleontologie. 2015. Т. 58, № 3. https://doi.org/: 10.1016/j.revmic.2015.05.001
18. Friedman G.M., Schultz D.J. Precipitation of vaterite (^-CaCO3) during oilfield drilling // Mineral. Mag. 1994. T. 58, № 392. https://doi.org/: 10.1180/ minmag.1994.058.392.05
19. Golosov V., WallingD.E. Erosion and sediment problems: global hotspots. Paris, 2019. http://www.unesco.org/ open-access/terms-use-cebusa-en
20. Horton A.J., Constantine J.A., Hales T.C. et al. Modification of river meandering by tropical deforestation // Geology. 2017. Vol. 45, №. 6. http:/doi.org/: 10.1130/G38740.1
21. Jiang W., Pacella M., Athanasiadou D. et al. Chiral acidic amino acids induce chiral hierarchical structure in calcium carbonate // Nat. Commun. 2017. T. 8, 15066. https:// doi.org/: 10.1038/ncomms15066
22. Konhauser K., Riding R. Bacterial biominerali-zation // Fundamentals of Geobiology / Eds. A.H. Knoll, D.E. Canfield, and K.O. Konhauser. UK, 2012. https://doi. org/: 10.1002/9781118280874.ch8
23. Metal Pollution in the Aquatic Environment / U. Forstner, G.T.W. Wittmann. Berlin, 1983.
24. Owens P.N. Soil erosion and sediment dynamics in the Anthropocene: a review of human impacts during a period of rapid global environmental change // Journal of Soils and Sediments. 2020. Vol. 20. https://doi.org/: 10.1007/ s11368-020-02815-9
25. Qin Y., Payne R., Gu Y. et al. Short-term response of testate amoebae to wildfire // Applied Soil Ecology. 2017. T. 116. https://doi.org/: 10.1016/j.apsoil.2017.03.018
26. Rawl A. Basic principles of particle size analysis. Malvern Instruments Technical Paper MRK034.
27. Tyugai Z., Milanovskiy E. The contact angle of wetting of the solid phase of soil before and after chemical modification // Euras. Journal Soil Sci. 2015. T. 4, № 3. http://ejss. fess.org/: 10.18393/ejss.2015.3.191-197
Поступила в редакцию 02.12.2022 После доработки 14.04.2023 Принята к публикации 28.04.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
BOTTOM SEDIMENTS OF SURFACE WATERCOURSES OF THE MALMYZHSKY MOUNTAIN RANGE
G. V. Kharitonova, A. V. Ostroukhov, V. I. Kim, Z. Tyugay, V. O. Krutikova
X-ray fluorescence, electron microscopic, sedimentation analyses and laser diffractometry methods were used to study the composition of bottom sediments of surface watercourses of the Malmyzhskaya Ridge section allocated for the construction of a mining and processing plant (Khabarovsk region, Russia). It is established that the bottom sediments of the coastal zone of the watercourses of the studied area are characterized by a similar gross composition and physical and chemical properties (pH, solid phase density, total carbon content, wetting edge angle CAW). They are mainly represented by fine earth with a high proportion of suspended sediments, in which the fraction of coarse silt prevails (particle size <2,0 mm, <0,1 mm and 0,01-0,05 mm, respectively). It is shown that deforestation in the sources of watercourses accompanied by soil erosion leads to a significant increase in the dispersion of sediments (an increase in the proportion of suspended sediments up to 90%) in the upstream. Downstream, with the distance from the felling sites, the influence of deforestation on the dispersion of deposits fades. The content of suspended sediment is reduced to values characteristic of watercourses in the catchment area of which deforestation has not been carried out. Significant microaggregation of suspended sediments of watercourses was revealed, the participation of micro-biota (testate amoebas of xenosome taxa, diatoms and Fe-reducing bacteria) in the formation of microaggregates was diagnosed. The latter are involved in the formation of vivianite on the surface of ferruginous-clay microaggregates with an increased content of phosphates after fires. The mechanism of formation of toroidal microforms of vaterite in bottom sediments with the participation of cyanobacteria of the Spirulinaceae family is proposed.
Key words: deforestation, soil erosion, bottom sediments, vivianite, vaterite, Malmyzhskaya ridge, Russian Far East.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Харитонова Галина Владимировна, докт. биол. наук, гл. науч. сотр. лаборатории экологии почв Института водных и экологических проблем ДВО РАН, e-mail: gkharitonova@mail.ru
Остроухов Андрей Вячеславович, канд. геогр. наук, вед. науч. сотр. лаборатории оптимизации регионального природопользования Института водных и экологических проблем ДВО РАН, e-mail: lorp@ivep.as.khb.ru
Ким Владимир Ильич, канд. геогр. наук, вед. науч. сотр. лаборатории гидрологии и гидрогеологии Института водных и экологических проблем ДВО РАН, e-mail: kim@ivep.as.khb.ru
Тюгай Земфира, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: zemfira53@yandex.ru
Крутикова Валерия Олеговна, мл. науч. сотр. аналитического центра Института тектоники и геофизики ДВО РАН, e-mail: nm32697@gmail.com
© Kharitonova G.V., Ostroukhov A.V., Kim VI., Tyugay Z., Krutikova V.O., 2023 142
