2023
Объектами исследований являлись образцы Fe-Mn ортштейнов и почвенного мелкозема, отобранные из 20 полнопрофильных почвенных разрезов, заложенных на участках не подверженных влиянию прямого техногенного воздействия и относящихся к условно незагрязненным (Надеждинский и Уссурийский районы Приморского края) и участках подверженных интенсивному техногенному воздействию (Дальнегорский район Приморского края). Результаты были получены с использованием комбинации аналитических, микробиологических и молекулярно-генетических методов и неинвазивных методик. Исследуемые почвы содержали округлые и эллипсовидные гладкие ортштейны разного размера. Анализ внутрипрофильного распределения ортштейнов показал, что условия, формирующиеся в средней части почвенного профиля, являются наиболее оптимальными для образования и развития ортштейнов. Морфологическое строение и дифференциация Fe и Mn внутри ортштейнов указывали на наличие внешней и внутренней зон. По специфике распределения Mn-обогащенных соединений во внутренней зоне, исследованные ортштейны разделены на типичные и моно- и поли-ядерные. Во внутренне зоне ортштейнов идентифицированы отдельные кристаллические структуры игольчатой формы и скопления структур правильной шарообразной формы, предположительно, бактериальной природы.
Содержание оксидов Fe и Mn в ортштейнах почв всех исследованных участков превышало их концентрацию во вмещающем почвенном мелкоземе от 2,6 до 64 раз. Максимальные уровни коэффициента накопления (EF) MnO были отмечены в ортштейнах с минимальными величинами EF Fe2O3. При схожем уровне содержания Fe2O3 в почвах естественных и антропогенно-измененных экосистем, ортштейны почв загрязненной территории накапливали Fe в 4,5 раза больше. Сканирование поперечного среза ортштейнов указывает на стадийный характер осаждения Fe и Mn в ортштейнах почв незагрязненных участков. Ортштейны почв подверженных интенсивному техногенному воздействию отличались однородным распределением Fe, без формирования зон обогащения элементом.
В ортштейнах почв всех исследованных участков соединения, содержащие SiO2, Al2O3, TiO2, K2O, MgO, являлись компонентами вмещающей почвенной массы захваченной в процессе роста и развития ортштейнов. Распределение в ортштейнах Si, Al, K, Ti и Mg имело недифференцированный характер и характеризовалось присутствием обогащенных зерен однородно распределенных в объеме ортштейнов.
Первичные почвенные минералы и глинистые минералы в большинстве исследованных ортштейнов представлены кварцем, минералами группы плагиоклазов (альбит, анортит), титанитом, мусковитом, иллитом и каолинитом. Состав первичных почвенных минералов согласуется с составом макро-элементов ортштейнов. Минералы группы Fe в исследованных ортштейнах представлены ферросилитом и гётитом. В ортштейнах обнаружены скопления микрокристаллов схожих по морфологии с частицами гетита, идентифицированными в железо-марганцевых корках Атлантического океана. В отдельных образцах ортштейнов идентифицирован нестабильный слабо окристаллизованный минерал - фероксигит. Минералы группы Mn идентифицированы в отдельных образцах ортштейнов и представлены якобситом и тефроитом (первичные почвенные минералы) и литиофоритом. Внутри ортштейнов размером более 3 мм в диаметре были обнаружены розетки пластинчатых кристаллов, которые в литературе именуются как "nanoflowers" (наноцветы), которые представляют собой минералы группы Mn (литиофорит или бернесит). Отличительной особенностью ортштейнов почв подверженных интенсивному техногенному воздействию являлось наличие магнетита.
Содержание Собщ в ортштейнах почв всех исследованных участков варьировало от 0.27 до 2.74%. Особенностью почв не подверженных влиянию прямого техногенного воздействия являлось активное накопление Собщ (EF 16) ортштейнами средней части профиля. Типовой состав гумуса ортштейнов характеризовался преобладанием фракций фульвокислот.
Проанализировано таксономическое разнообразие и численное распределение культивируемых форм Fe- и Mn-окисляющих микроорганизмов в Fe-Mn ортштейнах разного размера и почвенном мелкоземе территории не подверженной влиянию прямого техногенного воздействия. Основной объем микроорганизмов, культивированных из ортштейнов, относился к группе Mn-окисляющих. В ортштейнах идентифицированы бактерии родов Bacillus, Rhodococcus, Lysinibacillus, Pseudomonas, Priestia. Специфика численного распределения Mn- и Fe-окисляющих микроорганизмов во внешней и внутренней зонах ортштейнов разного размера отражает участие Mn-окисляющих микроорганизмов на всех стадиях формирования и развития ортштейнов и Fe-окисляющих микроорганизмов на начальных этапах их формирования. Почвенный мелкозем, вмещающий ортштейны, характеризуется изменением численности доминантных групп микроорганизмов по профилю. Марганец-окисляющие бактерии почвенного мелкозема представлены родами Priestia и Methylobacterium.
В 2023 г. из образцов ортштейнов выделены специфические микробные сообщества, создана и поддерживается коллекция культивируемых микроорганизмов, составляющая на декабрь 2023 г. 611 изолятов органотрофных микроорганизмов, из которых 230 – бактерии, 381 – грибы. 88 изолятов (42 – бактерии, 46 – грибы) - имеют потенциальную способность к окислению Mn и Fe .
Для оценки уровня накопления тяжелых металлов (ТМ) ортштейнами почв на исследуемых участках, было изучено содержание Pb, Zn, Ni, Cr, V и Sr. По сравнению с почвенным мелкоземов в ортштейнах всех исследованных почв содержание ТМ увеличивалось. Исключением являлось содержание Zn в ортштейнах почв незагрязненной территории. Уровень EF изученных ТМ в ортштейнах всех исследованных почв участков подтвердил активное накопление Pb и Cr. Менее интенсивно в ортштейнах накапливались Ni, V и Sr. Уровень накопления Zn, Sr и Ni в ортштейнах почв подверженных техногенному воздействию превышал значения для почв незагрязненных участков. Результаты линейного сканирования поперечного сечения ортштейнов показали, что ионы исследованных ТМ присутствуют в отдельных небольших участках, равномерно распределенных внутри ортштейнов. На основании полученных результатов можно предположить, что накопление ионов исследованных ТМ в течение всего периода образования и развития ортштейнов.
На основе корреляционного анализа между содержанием и накоплением Fe и Mn и изученных ТМ в ортштейнах установлено: 1) в ортштейнах почв незагрязненных участков накопление Ni, Pb и Sr контролировалось, преимущественно Mn-содержащими соединениями, накопление Cr и V определялось концентрацией Fe-содержащих соединений; 2) в ортштейнах почв подверженных интенсивному техногенному воздействию накопление исследованных ТМ статистически значимо коррелировало с содержанием Fe-содержащих соединений. Дополнительно, накопление в ортштейнах Cr и Sr обнаруживало тесную корреляционную зависимость с содержанием Собщ.
2024
На основе анализа содержания водорастворимых форм тяжелых металлов в Fe-Mn ортштейнах и мелкоземе почв незагрязненных и загрязненных тяжелыми металлами участков установлено снижение доли водорастворимых форм большинства изученных элементов в ортштейнах по сравнению с содержанием во вмещающем мелкоземе. Полученные результаты указывают на формирование в ортштейнах двух исследованных участков более стабильных комплексных соединений содержащих Pb, Cr, Ni, Sr и V, что сопровождается ограничением их поступления в почвенный раствор и сопредельные с почвой среды. В ортштейнах загрязненных почв отмечено существенное снижение доли водорастворимых форм Zn (на 48,7% по сравнению с мелкоземом) одного из основных элементов загрязнителей исследованной территории. Основной объем культивируемых аэробных микроорганизмов выделенных из ортштейнов загрязненных почв представлен группой Mn-окисляющих, которые отнесены к родам: Rhodococcus, Bacillus и Pedomicrobium. Наибольшая численность культивируемых микроорганизмов способных к анаэробному окислению Mn (AnOMn) отмечена в мелкоземе средней части профиля и ортштейнах размера 2-3 мм почв двух исследованных участков. Отличительной особенностью ортштейнов загрязненных почв являлось наличие бóльшего количества культивируемых AnOMn в эндосфере. В ортштейнах незагрязненных почв численность культивируемых AnOMn увеличивалась в экзосфере. По морфологическим, биохимическим и культуральным признакам изоляты анаэробных бактерий выделенные в культуру из ортштейнов предварительно отнесены к родам: Veillonella, Shewanella, Clostridium, Bacillus, Rhodomicrobium. На основе результатов метагеномного анализа из ортштейнов незагрязненных почв выделено 48 типов, 122 класса, 238 отрядов, 316 семейств и 500 родов бактерий. Из ортштейнов загрязненных почв выделено 40 типов, 114 классов, 261 отряд, 272 семейства и 432 рода бактерий. В бактериальном сообществе ортштейнов почв разных участков определены преобладающие типы, классы и семейства бактерий. Анализ бактериального разнообразия ортштейнов на уровне семейств указывает на участие различных групп бактерий в формировании и функционировании ортштейнов, формирующихся в различных горизонтах профиля. Внутрипрофильное варьирование бактериального разнообразия более выражено в ортштейнах незагрязненных почв. Впервые для ортштейнов почв природных и техногенно-измененных экосистем установлен таксономический состав бактерий участвующих в процессах трансформации основных ортштейнообразующих элементов, органических соединений и тяжелых металлов входящих с состав комплексных соединений с Fe или Mn. На основе результатов определения уровня минимальных ингибирующих концентраций тяжелых металлов из 11 тестируемых штаммов культивируемых бактерий отобраны 2 штамма (Bacillus sp. 3 - выделен из мелкозема, Bacillus sp. 5 - выделен из эндосферы ортштейнов размера 2-3 мм) с наибольшей устойчивость к высоким концентрациям Ni (2437,5 мг/л), Zn (1710 мг/л) и Pb (7787,3 мг/л). Использование отобранных штаммов в эксперименте по биосорбции металлов из раствора отразило более высокий уровень сорбции Pb, Ni, Zn и Cr клетками Bacillus sp. 5. Данный штамм был использован в дальнейшем эксперименте при обработке ортштейнов. При моделировании развития восстановительных процессов на протяжении разных периодов времени в ортштейнах и вмещающем модельном субстрате установлены схожие направления изменений значений ОВ потенциала. Однако, снижение уровня ОВ потенциала в ортштейнах происходило более плавно и не опускалось в диапазон отрицательных значений. На фоне общего проявления восстановительной обстановки в субстрате, ортштейны являлись микрозонами с более высоким уровнем ОВ потенциала. Установленное в рамках дизайна проводимого эксперимента значимое увеличение абсолютного и относительного содержания водорастворимых форм тяжелых металлов в ортштейнах, а также повышение валового содержания элементов в ортштейнах по мере увеличения концентрации солей металлов в субстрате указывает на преимущественное поступление металлов в ортштейны в составе подвижных соединений и на достаточно высокую скорость редукционного закрепления металлов сорбционными фазами ортштейнов. С учётом отмеченной специфики взаимосвязи Fe-, Mn- и C-содержащих соединений с содержанием и уровнем накопления изученных тяжелых металлов ортштейнами установлено, что металлы которые накапливаются Fe-обогащенными компонентами ортштейнов (Сr, V) характеризуются бóльшим уровнем увеличения валового содержания при комбинировании обработки ортштейнов культурой бактерий (штамм Bacillus sp. 5), насыщения водой (10 дней поддержания анаэробиозиса) и иссушения модельного субстрата (30 дней), и внесения в субстрат солей тяжелых металлов в субстрат (5-кратное превышение уровня начального содержания элементов в ортштейнах). Увеличение количества циклов насыщения водой и иссушения модельного субстрата сопровождалось интенсификацией трансформации осажденных и/или адсорбированных ионов тяжелых металлов реакционно-активными фазами ортштейнов и их переводом из сорбированного внешнего слоя (водорастворимые формы) в метастабильное (образование комплексов с аморфными Fe- и Mn-обогащенными соединениями и/или C-обогащенными соединениями) и стабильное состояние (дегидратация и кристаллизация комплексных соединений содержащих основные ортштейнообразующие элементы и ионы тяжелых металлов). При этом скорость трансформации Pb, накапливающего в ортштейнах при участии Mn-обогащенных компонентов, была выше по сравнению с элементами накапливающимися Fe-обогащенными фазами.
