CC BY
27
УДК 550.46: 556.56
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО ГЛУБИНЕ ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ В ЭКОСИСТЕМАХ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ВАСЮГАНСКОГО БОЛОТА (ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ)
Савичев Олег Геннадьевич,
OSavichev@mail.ru
Наливайко Нина Григорьевна,
biologistngn@yandex.ru
Рудмин Максим Андреевич,
RudminMA@tpu.ru
Мазуров Алексей Карпович,
AKM@tpu.ru
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
Актуальность определяется необходимостью учета взаимосвязей между распределением химических элементов по глубине торфяной залежи, процессами формирования, эволюции и деградации болот при решении целого ряда фундаментальных и прикладных задач изучения, использования и охраны болот.
Цель: оценка микробиологических условий распределения химических элементов по глубине торфяной залежи и выявление связей между геохимическими и микробиологическими показателями торфов в восточной части Васюганского болота. Методы: методы химического и микробиологического анализа (включая масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой), статистические методы.
Результаты и выводы. Выполнен химический, минералогический и микробиологических анализ проб торфов и минерального грунта, отобранных 09.11.2018 г. в восточной части Васюганского болота (граница водораздела рек ключ и Гавриловка - элементов речной сети: (Ключ-Бакчар; Гавриловка-Икса) - Чая-Обь; внутриболотные экосистемы: олиготрофный грядово-мочажин-ный комплекс, гряда; олиготрофное сосново-кустарничково-сфагнового болота - рям; мезотрофное сосново-кустарничковое болото на границе ряма с заболоченным лесом - мезотрофная окраина. Показано, что, во-первых, болотная микрофлора является очень важным фактором распределения химических элементов по глубине торфяной залежи в различных внутриболотных экосистемах восточной части Васюганского болота. Вероятность накопления в торфах малорастворимых соединений кальция, железа и редкоземельных элементов возрастает по мере усиления анаэробных условий развития болотной микрофлоры, определяющих увеличение рН болотной среды до 7,8 и выше, что приводит к смещению карбонатного равновесия и выпадению малорастворимых соединений кальция. Во-вторых, возможность выведения из раствора гидроксидов железа является характерной особенностью геохимии торфяных болот на фоне незначительной, но постоянно наблюдаемой активности железобактерий, образующих гидроксиды железа. В-третьих, вследствие сорбционных процессов на гидроокислах железа (и малорастворимых соединениях кальция в нижних слоях торфяной залежи) происходит осаждение гидроокислов, фосфатов и карбонатов (возможно - сульфатов и сульфидов) ряда микроэлементов, включая редкоземельные элементы.
Ключевые слова:
Микробиологические условия, распределение химических элементов, торфяная залежь, Васюганское болото, Западная Сибирь.
Введение
Распределение химических элементов по глубине торфяной залежи является важной характеристикой процессов формирования, эволюции и деградации болот (далее - болотных процессов). Это определяет актуальность соответствующих исследований, несмотря на значительное количество работ в этом направлении, в том числе и по Западной Сибири - одному из самых заболоченных в мире регионов [1-5]. В частности, было установлено, что, во-первых, изученные химические элементы можно условно разделить на три основные группы: 1.1) с относительно устойчивым увеличением от поверхности к минеральным грунтам и/или ярко выраженным максимумом в минеральных грунтах - Li, А1, Ве, Мг, Са, 8г, Fe, V, Сг, Мп, N1, J, Ва,
Се, Се, La, 8т, Ей, Dy, ТЪ, УЪ, Lu, Но, ТЬ, в том числе с небольшим повышением концентраций в верхней части разреза Си, Ga, Ge, Rb, Zr, Ш; 1.2) с хорошо выраженными максимумами в верхней и нижней частях разреза - Ш, К, Т1, РЪ, Нг, Rb, С^ 8Ъ, 8п, W, В1, 81; 1.3) с иными типами распределения либо с отсутствием общих закономерностей - 8, Р, и, Аи, Аг, Р^ Zn, Ав, Re, Ов, В, Вг, Та [6]. Во-вторых, на основе результатов математического моделирования распространения по глубине химических элементов в водных и кислотных вытяжках торфов, органо-минеральных отложений и минерального грунта показано, что в торфяной залежи функционирует два комплексных геохимических барьера, связанных с изменениями фильтрационных свойств грунтов и способствую-
184
ЭО! 10.18799/24131830/2019/9/2272
щих формированию и/или накоплению в торфяной залежи соединений Fe и ряда других химических элементов: 2.1) первый барьер - окислительный, восстановительный, сульфидный и сорбцион-ный гидроксидный - расположен примерно на глубинах от 0,40 до 1,25 м; 2.2) второй барьер - щелочной карбонатный и гидролитический, сорб-ционный гидроксидный, глинистый и карбонатный - в нижнем слое торфяной залежи [7].
В случае нижнего гидрогеохимического барьера требуется дополнительная информация о биогеохимических процессах, в результате которых существенно меняется рН водной среды (от 3,5-5,5 до 7,5-8,2). Согласно [8-12], один из механизмов таких изменений может быть связан с анаэробным дыханием микроорганизмов в условиях дефицита растворенного кислорода. С целью подтверждения этой гипотезы применительно к торфяной залежи в 2018-2019 гг. в Томском политехническом университете (ТПУ) было выполнено рассматриваемое исследование болотной микрофлоры.
Объект и методика исследования
Объектом исследования является восточная часть Васюганского болота (Западная Сибирь) в районе с. Полынянка (Бакчарский административный район Томской области, Российская Федерация), в пределах которой расположены следующие внутриболотные экосистемы: 1) олиготрофный грядово-мочажинный комплекс (опробовалась торфяная залежь на гряде в пункте с координатами 56,937° северной широты (с.ш.); 82,698° восточной долготы (в.д.)); 2) олиготрофное сосново-ку-старничково-сфагнового болота (далее используется региональное название - «рям»; 56,927° с.ш.; 82,700° в.д.); 3) мезотрофное сосново-кустарничко-вое болото на границе ряма с заболоченным лесом (далее используется термин «мезотрофная окраина»; 56.921° с.ш.; 82.704° в.д.). Более подробная характеристика исследуемой части Васюганского болота приведена в [6, 13, 14].
Основной акцент в исследовании был сделан на отбор и анализ вытяжек из торфов и минерального грунта, отобранных на трех указанных выше участках по интервалам 0,25 м. Отбор проб проводился 09.11.2018 г. согласно [15] при отрицательной температуре атмосферного воздуха. Пробы торфа и минерального грунта были помещены в полиэтиленовые емкости и в течение рабочего дня доставлены в аккредитованную гидрогеохимическую лабораторию ТПУ, где были подготовлены для химического и микробиологического анализа. В кислотных вытяжках из предварительно высушенных образцов (методика пробоподготовки для химического анализа приведена в [6] с использованием масс-спектрометрического метода с индуктивно связанной плазмой (масс-спектрометр №х1-ОМ 300D) выполнено определение концентраций 73 химических элементов, включая Са, М§, Ма, К, Р, 81, А1, Fe, Мп и ряд других. В водных вытяжках
проведено определение рН и удельной электропроводности %. Изучение минерального состава включений в торфа было выполнено в ТПУ методом электронной микроскопии. Методика определения минерального состава также приведена в [6].
Исследование микрофлоры проводилось в торфяных вытяжках из проб торфов (и минерального грунта) с естественной влажностью. Пробо-подготовка включала следующие операции. Предварительно из проб торфа (с соблюдением стерильности) удаляли стебли, корни растений, другие включения. Затем торф в закрытом пакете перемешивали, после чего, не вынимая из пакета, его раскладывали ровным слоем на столе. Из разных мест распределенного слоя торфа стерильным шпателем отбирали небольшие порции и в стерильной, предварительно тарированной фарфоровой чашке, взвешивали 1 г среднего образца. Полученную навеску помещали в стерильный флакон и заливали 100 мл стерильной водопроводной воды. Флакон с торфяной суспензией встряхивали в течение 15 мин, после чего давали ей отстояться в течение 5 мин и сразу использовали ее для приготовления разведений и посева. При этом учитывали, что в полученной исходной суспензии исследуемый материал (торф) разведен в 100 раз.
При изучении микрофлоры использовались классические методики, принятые в микробиологии [16, 17]. Сапрофиты, как основные деструкторы органического вещества, выявляли посевом аликвоты на мясопептонный агар и культивировали при температуре 22 и 37 °С. Гетеротрофные микроорганизмы, окисляющие восстановленные формы железа (далее - Fe-окисляющие), определяли на твердой среде Калиненко при температуре 22-25 °С в течение 10-15 сут. Аммонифицирующие микроорганизмы, принимающие участие в расщеплении белковых соединений до аммиака, определяли при температуре 22-25 °С в течение 10-15 дней с использованием мясопептонного бульона (и индикаторов, показывающих наличие аммиака). Денитрифицирующие бактерии выявляли на среде Гильтая методом предельных разведений, инкубируя их при 22-25 °С в течение двух недель. Признаком наличия в среде бактерий служило изменение рН, цвета культуральной жидкости, появление в среде азота или аммиака, что фиксировалось по появлению пены. Количество нитрифицирующих бактерий, завершающих цикл превращения в почве азотсодержащих соединений, определяли путем посева торфяной суспензии на жидкую минеральную среду Виноградского методом предельных разведений. Посевы инкубировали при 25-28 °С в течение 14-15 сут.
Сульфатредуцирующие бактерии культивировались на среде Таусона-Штурм с лактатом кальция в качестве источника органического вещества. Посев осуществляли способом предельных разведений. Об интенсивности процесса редукции сульфатов судили по появлению в среде черного осадка сульфида железа. Тионовые бактерии представля-
ют единую в морфологическом и биохимическом отношении группу. Все они способны использовать энергию окисления восстановленных соединений серы в серную кислоту для ассимиляции углерода, построения клеточного тела и всех остальных функций. Эти бактерии выращивали на твердых и жидких средах, в которые добавляли тиосульфа-ты. Нефтеокисляющие бактерии, как показатели наличия углеводородов в среде обитания, учитывали на агаризованной среде Мюнца с нефтью в качестве единственного источника углерода и энергии [16, 17]. Более подробное описание методов микробиологических исследований приведено в [18].
Для получения сопоставимых результатов производился пересчет количества обнаруженных микроорганизмов на 1 г абсолютно сухой почвы. С этой целью навеску грунта (10-20 г) помещали в заранее взвешенный металлический бюкс и высушивали в сушильном шкафу при 105 °С. Первое контрольное взвешивание высушенной почвы делали через 3 часа, затем высушивали торф до постоянного веса (контрольное взвешивание каждые 2 часа). Расчет производится по следующей формуле:
N = ■
Nc -100 100 - w
N = nA,
И >
2(1 - r2)
0,0
0,4
0,8
1,2
h/hp
Рис. 1. Изменение величины рН водной вытяжки по глубине торфяной залежи в гряде ГМК (I), ряме (II) и на мез-отрофной окраине (III); ht/hf - относительная глубина; ht - средняя глубина интервала опробования, м; hp - мощность торфяной залежи, м
Fig. 1. Change of рН in water extracts on peat deposit depth in the ridge of HRC (I), ryam (II) and mesotrophic border (III); hi/hp is the relative depth; ht is the average depth of approbation interval, m; hp is the capacity of a peat deposit, m
где N - количество клеток бактерий в 1 г абсолютно сухой почвы; N. - количество клеток бактерий в 1 г влажной почвы; А - степень разведения; п -среднее арифметическое значение колоний, выросших во всех чашках; у - влажность грунта, %.
Статистический анализ полученных данных включал расчет среднего, дисперсии, коэффициентов корреляции, проверку на экстремумы и поиск регрессионных зависимостей между геохимическими и микробиологическими показателями с учетом требований [19]. Корреляционные связи принимались статистически значимыми (с уровнем значимости 5 %) при соблюдении условия
160
120
о О
80
40
•гряда ГМК
■рям
■окраина
0,0
0,4
1,2
а регрессионные - при условии
y/N -1
R2>0,36 и \k)>8k, где r - коэффициент корреляции; kr - коэффициент регрессии; Sk - погрешность определения коэффициента регрессии; N - объем выборки; R2 - квадрат корреляционного отношения [20]. Все расчеты выполнены в пакете MS Excel.
Результаты исследования и их обсуждение
По данным, полученным в ноябре 2018 г., величина рН водных вытяжек из торфов последовательно увеличивается от 3,5-4,0 у поверхности до 4,8-5,7 в нижних слоях торфяной залежи, а затем достаточно резко возрастает у верхней границы минерального грунта до 6,1-7,8 (в 2017 г. были отмечены значения до 8,2 [6, 7]). Удельная электропроводность водных вытяжек также резко повышается на нижней границе торфяной залежи, но, в отличие от рН, принимает минимальные значения не в верхней, а в средней части залежи (рис. 1, 2; табл. 1).
h/hp
Рис. 2.
Fig. 2.
Изменение величины удельной электропроводности % водной вытяжки по глубине торфяной залежи в гряде ГМК (I), ряме (II) и на мезотрофной окраине (III); h/hp - относительная глубина; hi - средняя глубина интервала опробования, м; hp - мощность торфяной залежи, м
Change of specific electric conductivity % in water extracts on peat deposit depth in the ridge of HRC (I), ryam (II) and mesotrophic border (III); ht/hf is the relative depth; h is the average depth of approbation interval, m; hp is the capacity of a peat deposit, m
Распределение изученных химических элементов в кислотных вытяжках в целом характеризуется увеличением концентраций Ca, Al, Fe, Zr, Ba, редкоземельных элементов (РЗЭ) в нижних слоях торфов и/или минеральном грунте, максимумами в верхней и нижней частях торфяной залежи концентраций K, Si, Pb, Ti (максимумы Ti в олиго-трофных экосистемах отмечены в верхней части, в мезотрофной - в придонном слое торфа), а также максимумами содержаний S и Zn в разных интер-
8
7
6
II
3
0
валах глубин (табл. 1). При этом необходимо отметить существенные вариации распределений по глубине в разных внутриболотных экосистемах. Например, максимум содержания Са в гряде ГМК (30765 мг/кг) отмечен в минеральном грунте (глина), в ряме (24223 мг/кг) - в придонном слое на относительной глубине ^/^,=0,84 (Ь - средняя глубина интервала опробования, м; hp - мощность торфяной залежи, м). Наибольшее содержание 81 закономерно отмечено в пробе суглинка, отобранной на мезотрофной окраине (3781 мг/кг), но в гряде ГМК - в нижних слоях торфа на относительной глубине hi/hp=0,90 (550 мг/кг). Максимальные концентрации А1, как и 81, отмечены в суглинке на мезотрофной окраине (10475 мг/кг), а в гря-
де ГМК и ряме - на относительных глубинах 0,90 (5842 мг/кг) и 0,97 (3791 мг/кг), соответственно.
С учетом указанных выше фактов, в целом совпадающих с данными, полученными в марте 2017 и 2018 гг. на этих же участках, можно предположить, что ключевым фактором распределения химических элементов по глубине торфяной залежи являются, прежде всего, внутриболотные биогеохимические процессы. Последние одновременно регулируются условиями выноса и аккумуляции веществ и определяют интенсивность водообмена (за счет коэффициентов фильтрации [7, 21, 22]). Влияние атмосферных поступлений на поверхность болота, в том числе антропогенного происхождения, безусловно, также имеет место [23, 24].
Таблица 1. Физико-химические и геохимические показатели водных и кислотных вытяжек из торфов восточной части Васюганского болота 9 ноября 2018 г.
Table 1. Physical, chemical and geochemical parameters of water and acid extracts from peats of east part of the Vasyugan swamp on 9 November, 2018
№ Экосистема Ecosystem Грунт Soil Интервал, м Interval, m рН, ед. (units) мкС/см ^S/cm Ca K S P Si Al Fe Ti Zn Y Zr Ba La Pb
мг/кг/mg/kg
1 Гряда ГМК HRC ridge торф/peat 0,0-0,25 3,60 68,7 2081 579 838 268 241 1231 2065 20,0 37 0,65 0,61 19 0,94 10,15
2 -//- -//- 0,25-0,50 3,48 64,9 2564 104 1666 346 244 1532 1585 25,5 33 1,02 0,96 16 1,20 9,32
3 0,50-0,75 3,75 48,6 1463 64 993 258 187 531 690 10,6 17 0,26 0,33 6 0,31 2,77
4 0,75-1,00 3,72 45,1 1829 67 1083 259 159 559 672 11,8 16 0,26 0,27 6 0,34 1,52
5 1,00-1,25 3,70 45,3 1815 82 748 213 144 498 621 9,2 19 0,20 0,19 5 0,33 0,94
6 1,25-1,50 3,76 45,8 2579 91 618 190 169 624 685 9,7 22 0,21 0,18 6 0,42 0,77
7 1,50-1,75 3,84 45,7 3293 92 705 203 152 577 678 10,0 18 0,20 0,18 7 0,32 0,74
8 1,75-2,00 3,70 42,3 2510 168 771 213 156 668 741 11,3 71 0,27 0,26 8 0,45 2,01
9 2,00-2,25 3,69 57,3 2513 178 963 289 276 874 1035 14,5 77 0,41 0,37 10 0,67 4,81
10 2,25-2,50 3,73 48,3 2694 132 914 290 242 694 938 12,5 145 0,30 0,29 9 0,51 3,10
11 2,50-2,75 4,31 30,2 6568 57 1479 526 221 929 1315 14,0 69 0,40 0,36 11 0,49 0,83
12 2,75-3,00 4,50 27,7 9103 53 1775 456 188 914 2225 14,0 85 0,39 0,39 11 0,51 0,88
13 3,00-3,25 4,69 35,8 14 433 51 1665 283 115 1190 3940 15,2 111 0,58 0,65 20 0,74 0,94
14 3,25-3,50 5,14 58,9 13 409 322 941 413 550 5842 5819 15,8 36 7,08 4,94 65 8,55 6,81
15 -//- 3,50-3,75 4,81 29,7 10 293 347 1110 331 438 4877 5344 14,6 79 5,77 4,11 52 6,78 6,39
16 -//- глина/clay 3,75-4,10 7,83 156,0 30 765 640 402 270 518 4673 8577 8,4 16 9,61 6,90 69 11,40 10,43
17 рям/ryam торф/peat 0,00-0,25 3,56 67,9 2187 498 1121 385 191 1532 2273 22,5 34 0,66 0,57 15 0,83 15,38
18 -//- -//- 0,25-0,50 3,65 47,4 2568 151 1579 425 178 1583 1489 26,5 22 0,69 0,64 12 0,81 10,54
19 0,50-0,75 3,52 52,8 2283 99 1221 307 163 892 950 14,4 19 0,37 0,33 9 0,49 5,51
20 0,75-1,00 3,17 47,7 3046 75 1050 255 153 700 905 10,2 15 0,25 0,18 8 0,35 2,46
21 1,00-1,25 3,71 43,6 2721 78 1056 272 147 759 808 11,6 21 0,29 0,23 9 0,43 2,98
22 1,25-1,50 4,10 30,6 3771 50 1472 340 119 625 812 8,3 12 0,27 0,14 12 0,39 1,04
23 1,50-1,75 4,40 32,3 6660 50 1724 383 127 704 1488 9,9 19 0,30 0,19 10 0,37 1,13
24 1,75-2,00 4,55 29,9 8569 42 1587 363 108 762 1715 11,2 27 0,33 0,27 9 0,41 1,13
25 2,00-2,25 4,82 27,1 12 305 35 1538 254 115 712 1735 10,9 16 0,34 0,27 10 0,44 1,14
26 2,25-2,50 5,30 31,5 19 886 30 2202 321 128 757 2590 10,7 16 0,36 0,29 14 0,46 0,64
27 2,50-2,75 4,92 32,2 18 196 39 2256 329 115 807 2517 11,9 36 0,40 0,35 17 0,46 1,25
28 2,75-3,00 5,43 27,2 21 295 26 2554 301 100 821 3305 10,8 14 0,42 0,39 20 0,46 0,59
29 3,00-3,25 5,69 37,6 24 223 73 2603 329 155 1130 4664 14,6 16 0,99 0,82 26 1,11 1,16
30 3,25-3,50 5,64 30,3 20 691 34 2433 296 127 732 5118 10,3 9 0,77 0,61 31 0,66 0,59
31 3,50-3,70 5,63 60,8 10 104 812 1021 273 715 3791 4306 14,1 25 8,12 5,35 45 8,27 6,57
32 -//- глина/clay 3,70-3,95 7,58 140,4 10 723 799 373 261 758 3747 7183 8,7 25 8,98 7,02 47 11,29 9,82
33 окраина border торф/peat 0,00-0,25 4,01 30,9 4433 183 1554 643 129 1005 1609 11,4 31 0,49 0,27 15 0,60 5,81
34 -//- -//- 0,25-0,50 4,49 21,7 9539 43 1592 646 143 1586 2860 14,1 16 0,83 0,48 14 0,77 1,60
35 0,50-0,75 5,06 20,8 13 519 26 1774 485 137 1416 3378 16,9 15 0,64 0,47 15 0,60 0,94
36 0,75-1,00 5,26 20,1 18 172 18 1536 377 121 1308 4386 17,8 15 0,57 0,61 21 0,57 0,81
37 1,00-1,25 5,27 23,7 21 458 17 1897 365 139 1231 5175 19,1 12 0,56 0,76 25 0,57 0,73
38 1,25-1,50 5,43 23,5 23 281 16 1695 318 151 1001 6056 15,7 8 0,50 0,65 26 0,50 0,62
39 -//- 1,50-1,60 5,60 70,3 26 524 134 1863 484 1313 4562 8363 23,3 10 3,56 4,05 46 4,22 2,64
40 -//- суглинок loam 1,60-1,75 6,10 51,2 13 741 598 447 480 3781 10 475 10 652 15,0 25 9,25 6,63 85 11,28 8,38
Таблица 2. Микробиологические показатели вытяжек из торфов восточной части Васюганского болота 9 ноября 2018 г. Table 2. Microbiological parameters of extracts from peats of east part of the Vasyugan swamp on 9 November, 2018
Бактерии, кл/мл/Bacteria, cells/ml
№ денитрифицирующие deitrificans нитрифицирую-щие nitrificans аммонифицирующие NH4+for-ming нефтеоки-сляющие oil oxidizing олиго-трофные oligo-trophic образующие гидроксиды Fe forming Fe hydroxides Fe-окисля- ющие Fe-oxidi-zing сульфатвосста-навливающие sulfates restoring Thioba-cillus thioparus Thiobacillus intermedius Thiobacillus novellus
1 0 0 1000 14 000 77 000 66 000 18 000 10 000 0 1 840 000 832 000
2 0 1000 1000 0 42 000 410 000 206 000 100 000 0 313000 212000
3 1000 10 000 1000 24 000 167 000 40 000 24 000 0 0 1 620 000 733 000
4 1000 1000 10 000 8000 426 000 60 000 7000 0 0 1 100 000 619000
5 10 000 100 000 1 000 000 5000 53 000 118 000 0 100 000 57 000 322 000 880 000
6 10 000 0 100 000 60 000 1 500 000 176000 13 000 0 0 2 960 000 1 440 000
7 10 000 0 100 000 0 592 000 97 000 203 000 10 000 14 000 1 632 000 320 000
8 10 000 100 000 10 000 0 8000 61 000 118 000 10 000 0 73 000 42 000
9 1000 10000 100 000 16 000 103000 17 000 6000 1000 22 000 146000 40 000
10 0 100 000 10 000 0 305 000 90 000 0 0 0 69 000 62 000
11 1 000 000 100 000 100 000 0 810 000 120 000 6000 0 0 2 240 000 1 015000
12 10 000 100 000 1 000 000 0 853 000 80 000 155000 0 0 1 320 000 1 410000
13 1000 10 000 1000 14 000 1 069 000 360 000 3 200 000 100 000 0 5160000 1 750 000
14 10 000 100 000 1000 0 958 000 63 000 110 000 1000 0 1 722 000 1 600 000
15 0 1000 1000 0 1 960 000 157 000 390 000 1000 650 000 9 100 000 4 230 000
16 1000 100 000 10 000 19 000 1 922 000 140 000 20 000 10 000 0 4 860 000 3 760 000
17 10 000 100 000 100 000 20 000 145000 5000 0 1000 40 000 82 000 1 920 000
18 0 0 0 0 149000 21 000 22 000 1000 0 4 800 000 1 040 000
19 0 0 0 1 400 000 460 000 105000 13 000 10 000 30 000 1 800 000 2 280 000
20 0 0 0 96 000 96 000 28 000 34 000 1000 0 130000 123000
21 10 000 1000 10 000 93 000 1 105000 21 000 11 000 0 0 440 000 272 000
22 0 0 1000 1 260 000 1 310 000 17 000 33 000 10 000 0 564 000 232 000
23 1000 0 10 000 362 000 366 000 332 000 65 000 1000 18 000 213000 816000
24 0 0 0 390 000 1 321 000 88 000 16 000 1000 0 177000 134000
25 1000 0 0 410 000 580 000 125 000 41 000 1000 0 860 000 275 000
26 10 000 1000 1000 12 000 1 320 000 152 000 5 500 000 100 000 34 000 2810000 1 325 000
27 0 0 0 26 000 440 000 70 000 21 000 10 000 0 482 000 2 240 000
28 100 000 0 100 000 80 000 142000 0 1 056 000 0 0 1 344 000 690 000
29 10 000 0 10 000 0 1 200 000 0 0 0 0 1 200 000 2 100 000
30 100 000 0 1 000 000 120000 8100000 0 380 000 0 0 981 000 798 000
31 10 000 0 100 000 80 000 1 150000 58 000 70 000 0 0 199000 93 000
32 1000 10 000 100 000 30 000 540 000 27 000 63 000 1000 21 000 1 221 000 1 510000
33 1000 1000 10 000 16 000 532 000 0 22 000 10 000 0 218000 244 000
34 10 000 0 100 000 200 000 2150000 259 000 18 000 1000 0 770 000 530 000
35 1000 1000 10 000 0 391 000 210 000 50 000 0 0 1 054 000 1 122000
36 10 000 10000 10 000 0 422 000 58 000 51 000 0 0 322 000 473000
37 10 000 10 000 100 000 0 1 040 000 200 000 716 000 10 000 0 4 400 000 2 100 000
38 1000 1000 10 000 20 000 890 000 320 000 2 704 000 10 000 180 000 1 500 000 2 640 000
39 0 0 1000 0 2 220 000 235000 6 340 000 10 000 0 1 520 000 1 322 000
40 1000 0 0 6000 3 000 000 268 000 4 300 000 1 000 000 0 1 244 000 1 359 000
Но его роль, судя по сильной изменчивости концентраций изученных веществ в деятельном горизонте торфяной залежи (табл. 1), в условиях восточной части Васюганского болота преувеличена.
Микробиологический анализ позволил выявить различные физиологические группы микроорганизмов, среди которых преобладают тионовые бактерии (ТЫоЬасШш поуеПш и ТЫоЬасШш Мег-ше&ш), железобактерии, окисляющие восстановленные соединения железа, и гетеротрофные оли-готрофные бактерии (рис. 3, табл. 2). Все перечисленные группы микроорганизмов хорошо приспособлены к анаэробным условиям, низким значениям рН и температуры болотных вод. Количество бактерий ТЫоЬасШш Шорагаз, приспособленных к нейтральной и щелочной среде, и железобактерий, образующих гидроксиды железа, значительно меньше содержаний других тионовых бактерий
и гетеротрофных бактерий, окисляющих восстановленные соединения железа (далее используется сокращение <^е-окисляющие бактерии»).
Однако нельзя не отметить относительно равномерное распределение содержаний бактерий, образующих гидроксиды железа, по глубине торфяной залежи всех трех изученных участков, что указывает на постоянно наблюдаемую возможность участия микрооорганизмов в выведении малорастворимых соединений железа из болотных вод. Нефтеокисляющие бактерии в значительных количествах отмечены преимущественно в пробах торфов ряма. Среди микроорганизмов цикла азота наиболее представлены аммонифицирующие бактерии. Прочие группы микроорганизмов, более требовательных к содержанию кислорода, обнаружены в целом в заметно меньших количествах (табл. 2).
Таблица 3. Статистически значимые коэффициенты корреляции между физико-химическими, геохимическими и микробиологическими показателями торфов гряды ГМК, ряма и мезотрофной окраины
Table 3. Statistically significant factors of correlation between physical and chemical, geochemical and microbiological parameters of peats of the HRC ridge, ryam and mesotrophivc border
Показатель/Indicator Нитрифицирующие бактерии Nitrificans bacteria Аммонифицирующие бактерии NH4+ forming bacteria Олиготроф-ные бактерии Oligotrophic bacteria Железобактерии, образующие ги-дроксиды Fe Fe-hydroxodes forming bacteria Fe-окисля-ющие бактерии Fe-oxidizing bacteria Thioba-cillus thioparus Thiobacil-lus inter-medius Thioba-cillus novellus
Денитрифицирующие бактерии Denitrificans bacteria 0,34 - - - - - - -
Аммонифицирующие бактерии NH4+ forming bacteria 0,37 - - - - - - -
Олиготрофные бактерии Oligotrophic bacteria - 0,46 - - - - - -
Fe-окисляющие бактерии Fe-oxidizing bacteria - - - 0,39 - - - -
Сульфатвосстанавливающие бактерии Sulfates restoring bacteria - - - 0,48 0,43 - - -
Thiobacillus intermedius - - - - - 0,67 - -
Thiobacillus novellus - - - - - 0,67 0,70 -
pH - - 0,45 - 0,44 - - 0,33
Ca - - 0,40 - 0,57 - - 0,40
S -0,32 - 0,37 - 0,35 - - -
Al - - - - - 0,42 0,37 0,38
Fe - - 0,43 - 0,53 - 0,32 0,51
Mn - - - - 0,45 - - 0,35
Cu - - - - 0,35 0,37 0,38 0,44
Ba - - 0,35 - - 0,40 0,36 0,45
La - - - - - 0,40 - -
a¡ h ó
ГО g
m y
s f
Л e
(D
Ё d ro
rn c b
■\ччччччччм
■\\\\\\\\\\\SI
II ■ЧЧЧЧЧЧЧ'^Я
IE
=1
ПП ]
□ I ■ II El III
Рис. 3.
2500000 5000000
Концентрация, кл/мл / Content, cells/ml
Средние значения содержаний различных физиологических групп микроорганизмов в вытяжках из торфов, отобранных в гряде ГМК (I), ряме (II) и на мезотрофной окраине (III); бактерии: a - денитрифицирующие; b -нитрифицирующие; c - аммонифицирующие; d - неф-теокисляющие; e - олиготрофные; f - образующие гидрок-сиды железа; g - окисляющие соединения железа; h - суль-фатвосстанавливающие; i - Thiobacillus thioparus; j -Thiobacillus intermedius; k - Thiobacillus novellus
Average values of mntents of microorganisms physiological groups in peat extracts in the ridge of the HRC (I), ryam (II) and mesotrophic border (III); bacteria: a - denitrificans; b -nitrificans; c - ammonium forming; d - oil oxidizing; e - oli-gotrophic; f - Fe-hydroxodes forming; g - Fe-oxidizing; h -Sulfates restoring; i - Thiobacillus thioparus; j - Thiobacil-lus intermedius; k - Thiobacillus novellus
Между рядом микробиологических и геохимических показателей при уровне значимости 5 % выявлены статистически значимые связи, причем преимущественно прямые. В частности, такие свя-
Fig. 3.
зи установлены между величиной рН водных вытяжек, концентрациями Са, Fe, 8 в кислотных вытяжках и содержанием в образцах торфов олиго-трофных, тионовых бактерий и Fe-окисляющих бактерий (табл. 3). Возможно, это объясняется как использованием разными физиологическими группами микроорганизмов одних и тех же источников вещества и энергии и/или выделением одних и тех же продуктов метаболизма и их соединений (например, тионовыми и Fe-окисляющими бактериями, сульфатвосстанавливающими и бактериями, образующими гидроксиды железа), так и включением в анализ микроорганизмов из разных групп. В частности, в составе олиготрофных микроорганизмов могут присутствовать, с одной стороны, некоторые виды тионовых бактерий и железобактерий, а с другой стороны - аммонифицирующие бактерии (в последнем случае коэффициент корреляции г=0,46). Обратная связь выявлена между содержаниями серы и нитрифицирующих бактерий, что объясняется взаимосвязанным ухудшением аэробных условий в торфяной залежи и выведением из раствора сульфидов металлов [10].
Безусловно, влияние геохимических и гидрологических факторов (содержания веществ - источников энергии и строительного материала клеток, содержания токсичных продуктов метаболизма, время и условия их контакта с микроорганизмами в условиях преобладания адвективного в деятельном горизонте торфяной залежи, диффузионного переноса в основной части инертного го-
k
a
ризонта, либо их почти полного отсутствия в ряде случаев в нижних слоях торфяной залежи) является в целом комплексом стохастических процессов, результат действия которого можно оценить только в вероятностном смысле даже при наличии максимально полной информации, которая обычно отсутствует. Кроме того, полученные в рассматриваемой работе результаты характеризуют потенциальные, а не фактические условия функционирования болотной микрофлоры. Поэтому не представляется возможным абсолютно однозначный и
точный прогноз распределения содержаний химических элементов в кислотных вытяжках из торфов в зависимости от содержания микроорганизмов и наоборот. Тем не менее в ряде случаев удалось выявить прогностические зависимости, отражающие наиболее общие взаимосвязи между микробиологическими и геохимическими показателями.
Так, была установлена зависимость для торфов между содержанием Fe-окисляющих бактерий ^е&ас., тыс. кл/мл), рН водной вытяжки и кон-
Рис. 4. Снимок минерального включения в торф в гряде, интервал 0,00-0,25 м; результаты полуколичественного спектрального анализа: 1) непосредственно включение: C - 38,59 %; O - 48,13 %; P - 0,39 %; S - 0,28 %; Ca -10,68 %; Fe -1,44 %; Na - 0,49 %; 2) фон (на снимке ниже включения) - C - 58,42 %; O - 37,32 %; P - 0,63 %; S - 0,46 %; Ca - 0,79 %; Fe - 2,07 %; K - 0,32 %
Fig. 4. Picture of mineral inclusion in peat in a ridge, an interval of 0,00-0,25 m; results of half-quantitative spectral analysis: 1 ) inclusion is direct: C - 38,59 %; O - 48,13 %; P - 0,39 %; S - 0,28 %; Ca - 10,68 %; Fe - 1,44 %; Na - 0,49 %; 2) background (it is shown below inclusion in picture) - C- 58,42 %; O - 37,32 %; P - 0,63 %; S - 0,46 %; Ca - 0,79 %; Fe - 2,07 %; K - 0,32 %
центрациями Ca, S, Fe в кислотных вытяжках (квадрат корреляционного отношения R2=0,94):
[Ca] = (-21151,108 + 2999,061) + +(4873,022 + 961,206)pH +(4,279 +0,908)[S] + +(0,974 + 0,276)[Fe] + (0,742 +0,276)[Fe bac].
Не совсем очевидна роль кальция в развитии Fe-окисляющих гетеротрофных бактерий. Но можно предположить, что он является составляющей продуктов их метаболизма. Это в общих чертах подтверждается результатами электронной микроскопии минеральных включений, образовавшихся уже в лабораторных условиях в пробе болотной воды, которая была отобрана в гряде в интервале глубин 0,2-0,4 м от средней поверхности болота. Болотная вода высевалась на агаризо-ванную среду Калиненко. После 10 дней в чашке Петри сформировались твердые включения, одно из которых представлено на рис. 4.
Состав исходной болотной воды характеризовался следующими показателями: рН 4,45; сумма главных ионов 9,6 мг/дм3; концентрация Fe 0,695 мг/дм3; бихроматная окисляемость 85,8 мгО/дм3; содержание сульфатвосстанавли-вающих бактерий 1 млн кл/мл, окисляющих соединения железа - 9150 кл/мл, образующих ги-дроксиды железа - 980 кл/мл, общее содержание тионовых бактерий - 3190 кл/мл. Химический состав кислотных вытяжек из проб торфа, отобранных в диапазонах глубин 0,00-0,25 и 0,25-0,50 м, соответствует данным образцов № 1 и 2 в табл. 1. В целом вероятность образования малорастворимых соединений кальция (предположительно -кальцит с включениями гидроксидов железа, рис. 4) повышается при улучшении условий существования микрофлоры, что в природе может наблюдаться в относительно маловодные годы и приводить к формированию в торфяной залежи минеральных включений, ранее выявленных на исследуемой части васюганского болота [25]. Также можно предположить, что деятельность болотной микрофлоры при определенной интенсивности водообмена может приводить к чередованию фрагментов торфяной залежи с достаточно резко отличающимися содержаниями питательного субстрата и/или токсичных продуктов метаболизма. Если этот процесс слабо дифференцирован, то обычно формируются евтрофные и мезотрофные экосистемы (при избыточном накоплении продуктов мета-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Shotyk W. Review of the inorganic geochemistry of peats and pe-atland waters // Earth-Science Reviews. - 1988. - № 25. -P. 95-176. DOI: 10.1016/0012-8252(88)90067-0.
2. Steinmann P., Shotyk W. Geochemistry, mineralogy, and geoche-mical mass balance on major elements in two peat bog profiles (Jura Mountains, Switzerland) // Chemical Geology. - 1997. -№ 138. - P. 25-53. DOI: 10.1016/S0009-2541(96)00171-4.
3. Ecosystem recovery and natural degradation of spilled crude oil in peat bog ecosystems of West Siberia / W. Bleuten, E. Lapshina,
болизма) либо мезотрофные и олиготрофные рямы (при их недостаточной концентрации), а если больше рассредоточен в двухмерном горизонтально-ориентированном пространстве - олиготрофные грядово-мочажинные комплексы [14]. Но практически во всех случаях это приводит к дискретному характеру распределения химических элементов (рис. 1, 2, табл. 1) и малорастворимых (в наблюдаемых геохимических условиях) минеральных включений в торфа [25-28].
Заключение
В результате исследования получены следующие выводы:
1) болотная микрофлора является важным фактором распределения химических элементов по глубине торфяной залежи в различных внутри-болотных экосистемах восточной части Васю-ганского болота; вероятность накопления в торфах малорастворимых соединений кальция, железа и РЗЭ возрастает по мере усиления анаэробных условий развития болотной микрофлоры, определяющих увеличение рН болотной среды до 7,8 и выше, что приводит к смещению карбонатного равновесия и выпадению малорастворимых соединений кальция (вопрос об идентификации кальцита или аморфных форм карбоната кальция и условиях их трансформации в торфяной залежи остается открытым);
2) возможность выведения из раствора гидрокси-дов железа является характерной особенностью геохимии торфяных болот на фоне незначительной, но постоянно наблюдаемой активности железобактерий, образующих гидроксиды железа, что подтверждается результатами анализа состава минеральных включений в торфа [6, 25];
3) вследствие сорбционных процессов на частицах гидроксида железа (и малорастворимых соединений кальция в нижних слоях торфяной залежи) происходит осаждение гидроокислов, фосфатов и карбонатов (возможно - сульфатов и сульфидов) ряда микроэлементов, включая РЗЭ, что подтверждается как расчетами осаждения и сорбции [7], так и данными о распределении микрофлоры по глубине торфяной залежи.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 18-55-80015,17-05-00042.
W. Ivens, V. Shinkarenko, E. Wiersma // International Peat Journal. - 1999. - №9. - P. 73-82.
4. Eurasian Mires of the Southern Taiga Belt: Modern Features and Response to Holocene Palaeoclimate / T. Minayeva, W. Bleuten,
A. Sirin, E.D. Lapshina // Wetlands and Natural Resource Management. Ecological Studies. V. 190 / Eds. J.T.A. Verhoeven,
B. Beltman, R. Bobbink, D.F. Whigham. - Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. - P. 315-341.
5. Modes of occurrence of rare earth elements in peat from Western Siberia / S.I. Arbuzov, S.G. Maslov, R.B. Finkelman,
A.M. Mezhibor, S.S. Ilenok, M.G. Blokhin, E.V. Peregudina // Journal of Geochemical Exploration. - 2017. - V. 10. - P. 1-22. URL: https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2017.10.012 (дата обращения 23.08.2019).
6. Изменения химического состава кислотных вытяжек по глубине торфяной залежи внутриболотных экосистем Васюган-ского болота (Западная Сибирь) / О.Г. Савичев, А.К. Мазуров, М.А. Рудмин, А.А. Хващевская, А.Б. Даулетова // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2018. - Т. 329. - № 9. - С. 101-116.
7. Mechanisms of Accumulation of Chemical Elements in a Peat Deposit in the Eastern Part of Vasyugan Swamp (West Siberia) / O.G. Savichev, A.K. Mazurov, M.A. Rudmin, N.E. Shakhova, V.I. Sergienko, I.P. Semiletov // Doklady Earth Sciences. - 2019. -V. 486. - P. 1. - P. 568-570. DOI: 10.1134/S1028334X19050258.
8. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты / отв. ред Н.П. Лавёров. - М.: Наука, 2004. - 677 с.
9. Shvartsev S.L. Geochemistry of fresh Groundwater in the Main Landscape Zones of the Earth // Geochemistry International. -2008. - V. 46. - № 13. - P. 1285-1398.
10. Formation of sphalerite (ZnS) deposits in natural biofilms of sul-fate-reducing bacteria / M. Labrenz, G.K. Druschel, T. Thomsen-Ebert, B. Gilbert, S.A. Welch, K.M. Kemner, G.A. Logan, R.E. Summons, G. Stasio, P.L. Bond, B. Lai, S.D. Kelly, J.F. Banfield // Science. - 2000. - № 290. - P. 1744-1747.
11. Solubility, Mobility, and Bioaccumulation of Trace Elements: Abiotic Processes in the Rhizosphere / B. Robinson, N. Bolan, S. Mahimairaja, B. Clothier // Trace elements in the environment: biogeochemistry, biotechnology, and bioremediation / ed. by M.N.V. Prasad, Ravi Naidu, Kenneth S. Sajwan. - New York, USA: Taylor & Francis Group, 2006. - P. 97-110.
12. Geochemistry of carbonatic/sulphatic soils in the southern Angara region, Russia / Yu.N. Vodyanitskii, N.D. Kiseleva, O.G. Lo-patovskaya, A.T. Savichev // Annals of agrarian science. -2016. - № 14. - P. 140-151. URL: http://dx.doi.org/10.1016/ j.aasci.2016.05.016 (дата обращения 23.08.2019).
13. Научно-исследовательский полигон «Васюганье». Программа научной экскурсии / Л.И. Инишева, Т.В. Дементьева, Е.А. Го-ловацкая, Е.В. Порохина. - Томск: ЦНТИ, 2003. - 88 с.
14. Гидрогеохимические условия формирования олиготрофных болотных экосистем / О.Г. Савичев, А.К. Мазуров, И.П. Семи-летов, В.А. Базанов, Н.В. Гусева, А.А. Хващевская, Н.Г. На-ливайко // Известия РАН. Серия географическая. - 2016. -№ 5. - C. 60-69. URL: http://dx.doi.org/10.15356/ 0373-2444-2016-5-60-69 (дата обращения 23.08.2019).
15. ГОСТ 17644-83. Торф. Методы отбора проб из залежи и обработки их для лабораторных испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 12 с.
16. Экология микроорганизмов /под ред. А.И Нетрусова. - М.: АKADEMA, 2004. - 267 с.
17. Наливайко Н.Г. Микробиология воды. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2009. - 139 с.
18. Савичев О.Г., Наливайко Н.Г., Трифонова Н.А. Микробиологический состав речных вод бассейна верхней и средней Оби // Сибирский экологический журнал. - 2002. - № 2. -С. 173-180.
19. РД 52.24.622-2017. Порядок проведения расчета условных фоновых концентраций химических веществ в воде водных объектов для установления нормативов сбросов сточных вод. Дата введения 14.06.2017 г. - М.; Ростов-на-Дону: Росгидромет, ФГБУ «ГХИ», 2017. - 96 с.
20. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. P. I - A discussion of principles // Journal of Hydrology. - 1970. - № 10 (3). - Р. 282-290.
21. Иванов К.Е. Водообмен в болотных ландшафтах. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1975. - 280 с.
22. Seasonal dynamics of water and nutrient fluxes in an agricultural peatland / C.D. Kennedy, N. Alverson, P. Jeranyama, C. DeMo-ranville // Hydrological Processes. - 2018. - V. 32. - P. 698-712. DOI: 10.1002/hyp.11436.
23. Межибор А.М. Экогеохимия элементов-примесей в верховых торфах Томской области: автореф. ... канд. геол.-минерал. наук. - Томск, 2009. - 22 с.
24. Veretennikova E.E. Lead in the natural peat cores of ridge-hollow complex in the taiga zone of West Siberia // Ecological Engineering. - 2015. - V. 80. - P. 100-107.
25. Authigenic and Detrital Minerals in Peat Environment of Vasyu-gan Swamp, Western Siberia / M. Rudmin, A. Ruban, O. Sa-vichev, A. Mazurov, A. Dauletova, O. Savinova // Minerals. -2018. - V. 500. - № 8. - P. 1-13. DOI: 10.3390/min8110500.
26. Origins of mineral matter in peat marsh and peat bog deposits, Spain / A.M. Lopez-Buendia, M.K.G. Whateley, J. Bastida, M.M. Urquiola // International Journal of Coal Geology. -2007. - V. 71. - P. 246-262. DOI:10.1016/j.coal.2006.09.001.
27. Mineral components in a peat deposit: looking for signs of early mining and smelting activities in Silesia-Cracow region (Southern Poland) / J. Cabala, B. Smieja-Krol, M. Jablonska, L. Chrost // Environmental Earth Sciences. - 2013. - № 69. -P. 2559-2568. DOI: 10.1007/s12665-012-2080-6.
28. Comparative evaluation of the mineralogical composition of Sphagnum peat and their corresponding humic acids, and implications for understanding past dust depositions / C. Zaccone, S. Pabst, G.S. Senesi, W. Shotyk, T.M. Miano // Quaternary International. - 2013. - № 306. - P. 80-87. DOI: 10.1016/j.qua-int.2013.04.017.
Поступила 26.08.2019 г.
Информация об авторах
Савичев О.Г., доктор географических наук, профессор отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Наливайко Н.Г., кандидат геолого-минералогических наук, доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Рудмин М.А., кандидат геолого-минералогических наук, доцент Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Мазуров А.К., доктор геолого-минералогических наук, профессор Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
UDC 550.46: 556.56
MICROBIOLOGICAL CONDITIONS OF CHEMICAL ELEMENTS DISTRIBUTION ON PEAT DEPOSIT DEPTH IN ECOSYSTEMS OF THE VASYUGAN SWAMP EAST PART (WESTERN SIBERIA)
Oleg G. Savichev1,
OSavichev@mail.ru
Nina G. Nalivaiko1,
biologistngn@yandex.ru
Maxim A. Rudmin1,
RudminMA@tpu.ru
Aleksey K. Mazurov1,
AKM@tpu.ru
1 National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050, Russia.
Relevance of the research is determined by the necessity to account the interrelations between distribution of chemical elements on peat deposit depth, formation, evolution and degradation of bogs when solving a number of fundamental and applied problems of study, use and protection of bogs.
The aim of the research is the estimation of microbiological conditions of chemical elements distribution on peat deposit depth and revealing of relations between geochemical and microbiological parameters of peats in east part of the Vasyugan swamp. Methods: methods of chemical and microbiological analysis (including MS-lCP), statistical methods.
Results and conclusions. The authors have carried out chemical, mineralogical and microbiological analysis of peats and mineral ground samples. The samples were selected on the 9of November, 2018 in east part of the Vasyugan swamp (border of a watershed of the Kly-uch and Gavrilovka rivers which are the elements of a river network («Klyuch-Bakchar; Gavrilovka-Iksa-Chaya-Ob»; intraswamp ecological systems: the oligotrophic hollow-ridge complex, a ridge; the oligotrophic pine-dwarf-shrub-sphagnum raised bog (ryam), the mesotrophic border of an oligotrophic bog). It is shown that, first, the swamp microflora is a very important factor of chemical elements distribution on peat deposit depth in various intraswamp ecosystems in east part of the Vasyugan swamp. The probability of accumulation insoluble compounds of calcium, iron and rare earth elements in peats grows in amplification of microflora development unaerobic conditions. These factors determine increase of pH up to 7,8 and higher, that results in displacement carbonate balance and loss of insoluble calcium compounds. Second, the opportunity of iron hydroxides removing from a solution is the prominent feature of geochemistry of peat bogs on a background insignificant, but constantly observable activity of iron bacteria, which formed iron hydroxides. Thirdly, owing to sorption (and insoluble calcium compounds in the bottom layers of a peat deposit) hydrooxides, phosphates and carbonates (possibly sulfates and sulfides) of some microelements, including rare earth elements, are precipitated on iron hydrooxides.
Key words:
Microbiological conditions, distribution of chemical elements, peat deposit, Vasyugan swamp, Western Siberia. The research was financially supported by the RFBR grant no. 18-55-80015,17-05-00042.
REFERENCES
1. Shotyk W. Review of the inorganic geochemistry of peats and pe-atland waters. Earth-Science Reviews, 1988, no. 25, pp. 95-176. DOI: 10.1016/0012-8252(88)90067-0.
2. Steinmann P., Shotyk W. Geochemistry, mineralogy, and geochemical mass balance on major elements in two peat bog profiles (Jura Mountains, Switzerland). Chemical Geology, 1997, no. 138, pp. 25-53. DOI: 10.1016/S0009-2541(96)00171-4.
3. Bleuten W., Lapshina E., Ivens W., Shinkarenko V., Wiersma E. Ecosystem recovery and natural degradation of spilled crude oil in peat bog ecosystems of West Siberia. International Peat Journal, 1999, no. 9, pp. 73-82.
4. Minayeva T., Bleuten W., Sirin A., Lapshina E.D. Eurasian Mires of the Southern Taiga Belt: Modern Features and Response to Ho-locene Palaeoclimate. Wetlands and Natural Resource Management. Ecological Studies. Vol. 190. Eds. J.T.A. Verhoeven, B. Beltman, R. Bobbink, D.F. Whigham. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2006. pp. 315-341.
5. Arbuzov S.I., Maslov S.G., Finkelman R.B., Mezhibor A.M., Ile-nok S.S., Blokhin M.G., Peregudina E.V. Modes of occurrence of rare earth elements in peat from Western Siberia. Journal of
Geochemical Exploration, 2017, no. 10, pp. 1-22. Available at: https://doi.Org/10.1016/j.gexplo.2017.10.012 (accessed 23 August 2019).
6. Savichev O.G., Mazurov A.K., Rudmin M.A., Hvashchev-skaja A.A., Dauletova A.B. Changes of the chemical composition of acid extracts on depth of the peat deposit of the Vasyugansko-ye mire ecological systems (the Western Siberia). Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2018, vol. 329, no. 9, pp. 101-116. In Rus.
7. Savichev O.G., Mazurov A.K., Rudmin M.A., Shakhova N.E., Sergienko V.I., Semiletov I.P. Mechanisms of Accumulation of Chemical Elements in a Peat Deposit in the Eastern Part of Vasy-ugan Swamp (West Siberia). Doklady Earth Sciences, 2019, vol. 486, P. 1, pp. 568-570. DOI: 10.1134/S1028334X19050258.
8. Kraynov S.R., Ryzhenko B.N., Shvets V.M. Geokhimiya podze-mnykh vod: teoreticheskie, prikladnye i ekologicheskie aspekty [Geochemistry of ground waters: theoretical, applied and environmental aspects]. Moscow, Nauka Publ., 2004. 677 p.
9. Shvartsev S.L. Geochemistry of fresh Groundwater in the Main Landscape Zones of the Earth. Geochemistry International, 2008, vol. 46, no. 13, pp. 1285-1398.
10. Labrenz M., Druschel G.K., Thomsen-Ebert T., Gilbert B., Welch S.A., Kemner K.M., Logan G.A., Summons R.E., Sta-sio G., Bond P.L., Lai B., Kelly S.D., Banfield J.F. Formation of sphalerite (ZnS) deposits in natural biofilms of sulfate-reducing bacteria. Science, 2000, no. 290, pp. 1744-1747.
11. Robinson B., Bolan N., Mahimairaja S., Clothier B. Solubility, Mobility, and Bioaccumulation of Trace Elements: Abiotic Processes in the Rhizosphere. Trace elements in the environment: bio-geochemistry, biotechnology, and bioremediation. Eds. M.N.V. Prasad, Ravi Naidu, Kenneth S. Sajwan. New York, USA, Taylor & Francis Group, 2006. pp. 97-110.
12. Vodyanitskii Yu.N., Kiseleva N.D., Lopatovskaya O.G., Savichev A.T. Geochemistry of carbonatic/sulphatic soils in the southern Angara region, Russia. Annals of agrarian science, 2016, no. 14, pp. 140-151. Available at: http://dx.doi.org/ 10.1016/j.aasci.2016.05.016 (accessed 23 August 2019).
13. Inisheva L.I., Dementyeva T.V., Golovatskaya E.A., Porokhi-na E.V. Nauchno-issledovatelskiy poligon «Vasyuganye». Programma nauchnoy ekskursii [Scientific-research ground «Vasyu-gane». Program of scientific excursion]. Tomsk, TSNTI Publ., 2003. 88 p.
14. Savichev O.G., Mazurov A.K., Semiletov I.P., Bazanov V.A., Guseva N.V., Khvashchevskaya A.A., Nalivayko N.G. Hydrogeoche-mical conditions of formation of oligotrophic bog ecosystems. Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya, 2016, no. 5, pp. 60-69. In Rus. Available at: http://dx.doi.org 10.15356/0373-2444-2016-5-60-69 (accessed 23 August 2019).
15. GOST 17644-83. Torf. Metody otbora pro biz zalezhi i obrabotki ikh dlya laboratornykh ispytany [SS 17644-83Peat. Methods of sampling from deposit and preparation of samples for laboratory tests]. Moscow, Izdatelstvo standartov, 1983. 12 p.
16. Ekologiya mikroorganizmov [Ecology of microorganisms]. Ed. by A.I. Netrusov. Moscow, AKADEMA Publ., 2004. 267 p.
17. Nalivayko N.G. Mikrobiologiya vody [Water microbiology]. Tomsk, Tomsk Polytecnic University Publ. house, 2009. 139 p.
18. Savichev O.G., Nalivayko N.G., Trifonova N.A. Microbiological structure of river waters of the Upper and Middle Ob river basin. Contemporary Problems of Ecology, 2002, no. 2, pp. 173-180. In Rus.
19. RD 52.24.622-2017. Poryadok provedeniya rascheta uslovnykh fonovykh kontsentratsiy khimicheskikh veshchestv v vode vod-nykh obyektov dlya ustanovleniya normativov sbrosov stochnykh
vod [Procedure for calculating the background concentrations of chemicals in the water of water bodies in order to establish standards for wastewater discharges]. Moscow, Rostov-on-Don, Ros-gidromet, FGBU «SCHI» Publ., 2017. 96 p.
20. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. P. I. A discussion of principles. Journal of Hydrology, 1970, no. 10 (3), pp. 282-290.
21. Ivanov K.E. Vodoobmen v bolotnykh landschaftakh [Water exchange in mire landscapes]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1975. 280 p.
22. Kennedy C.D., Alverson N., Jeranyama P., DeMoranville C. Seasonal dynamics of water and nutrient fluxes in an agricultural pe-atland. Hydrological Processes, 2018, vol. 32, pp. 698-712. DOI: 10.1002/hyp.11436.
23. Mezhibor A.M. Ekogeokhimiya elementov-primesey v verkhovykh torfakh Tomskoy oblasi. Avtoreferat Diss. Kand. Nauk [Ecoge-ochemistry of accessories elements in riding peats of the Tomsk area. Cand. Diss. Abstract]. Tomsk, 2009. 22 p.
24. Veretennikova E.E. Lead in the natural peat cores of ridge-hollow complex in the taiga zone of West Siberia. Ecological Engineering, 2015, vol. 80, pp. 100-107.
25. Rudmin M., Ruban A., Savichev O., Mazurov A., Dauletova A., and Savinova O. Authigenic and Detrital Minerals in Peat Environment of Vasyugan Swamp, Western Siberia. Minerals, 2018, vol. 500, no. 8, pp. 1-13. DOI: 10.3390/min8110500.
26. Lopez-Buendia A.M., Whateley M.K.G., Bastida J., Urquio-la M.M. Origins of mineral matter in peat marsh and peat bog deposits, Spain. International Journal of Coal Geology, 2007, vol. 71, pp. 246-262. DOI: 10.1016/j.coal.2006.09.001.
27. Cabala J., Smieja-Krol B., Jablonska M., Chrost L. Mineral components in a peat deposit: looking for signs of early mining and smelting activities in Silesia-Cracow region (Southern Poland). Environmental Earth Sciences, 2013, no. 69, pp. 2559-2568. DOI: 10.1007/s12665-012-2080-6.
28. Zaccone C., Pabst S., Senesi G.S., Shotyk W., Miano T.M. Comparative evaluation of the mineralogical composition of Sphagnum peat and their corresponding humic acids, and implications for understanding past dust depositions. Quaternary International, 2013, no. 306, pp. 80-87. DOI: 10.1016/j.quaint.2013.04.017.
Received: 26 August 2019.
Information about the authors
Oleg G. Savichev, Dr. Sc., professor, National Research Tomsk Polytechnic University. Nina G. Nalivaiko, Cand. Sc., associate professor, National Research Tomsk Polytechnic University. Maxim A. Rudmin, Cand. Sc., associate professor, National Research Tomsk Polytechnic University. Aleksey K. Mazurov, Dr. Sc., professor, National Research Tomsk Polytechnic University.
