CC BY
16
УДК 631.46
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛЮД
РАЗЛИЧНОЙ КРИСТАЛЛОХИМИИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНО-АКТИНОМИЦЕТНЫХ АССОЦИАЦИЙ*
Е.А. Иванова, Н.П. Чижикова, Г.М. Зенова
Показана способность экспериментальных цианобактериально-актиномицетных ассоциаций изменять структуру глинистых минералов группы слюд. Отмечено, что скорость преобразования слюд зависит от их кристаллохимического строения — структура биотита, относящегося к триоктаэдрическому ряду слюд, под влиянием жизнедеятельности ассоциации существенным образом трансформируется, о чем свидетельствует появление в породе смеша-нослойного биотит-вермикулитового образования. В случае диоктаэдрической слюды — мусковита, заметных трансформационных изменений под влиянием цианобактериально-актиноми-цетного таллома не выявлено, о чем говорит высокая четкость и симметричность рефлексов минерала до и после выращивания ассоциативного таллома.
Ключевые слова: слюды триоктаэдрические и диоктаэдрические, цианобактерии, акти-номицеты.
Введение
Слюды являются обязательным компонентом почв и рудных материалов, представляя собой ди- и триоктаэдрические слоистые силикаты, содержащие калий в межпакетных промежутках. Межпакетный калий компенсирует отрицательный заряд, возникающий вследствие изоморфных замещений (например, 814+ на А13+, А13+ на Мё2+ и Бе2+). Таким образом, в почвах слюды представляют собой долговременный источник питательных элементов (К, Мё, Бе и т.д.), переходящих в раствор в процессе выветривания, при этом они, теряя «межпакетные» катионы, переходят в сме-шанослойные образования слюда-вермикулитового или слюда-смектитового типов [8].
Однако слюды по-разному ведут себя по отношению к биогенному выветриванию, что объясняется их строением и прежде всего различной ориентацией ОН-групп октаэдров внутри трехслойного пакета слюд ди- и триоктаэдрического типа. В триоктаэдрических слюдах ОН-группы ориентированы таким образом, что ион водорода этой группы находится в непосредственной близости от положительно заряженного иона калия, и между ними возникают силы электростатического отталкивании, способствующие более быстрому разрушению решетки минерала [7]. В диоктаэд-рических слюдах процесс освобождения калия замедлен вследствие изоморфного замещения некоторой части гидроксильных групп ионом фтора, что обеспечивает развитие электростатического взаимодействия между этим анионом и межпакетным калием.
Богатство элементами питания делает слюды благоприятным субстратом для биологического выщелачивания. Микроорганизмы обладают довольно разнообразным спектром механизмов биодеструкции ми-
нерального субстрата. Можно выделить кислото- и щелочеобразование, биосорбцию, хелатирование (комп-лексообразование) и т.д. [4]. Одним из способов бактериального выщелачивания является способность к выделению экзополисахаридов, в частности образование слизи [2]. Способность к слизеобразованию свойственна многим видам бактерий, в том числе и цианобактериям.
Преимущественное развитие цианобактерий приурочено к местам ослабленной видовой конкуренции, например к выходам скальных пород, карбонатным выбросам и т.д. Известно, что под влиянием алка-лофильного цианобактериального сообщества происходит преобразование минералов — усиление выноса обменных оснований, растворение силикатов и окислов железа [1]. Обнаруженные остатки фос-силизированных цианобактериальных нитей и гиф актиномицетов свидетельствуют о том, что сообщества этих организмов были важнейшим фактором осадконакопления на поверхности Земли начиная с архея [6]. Актиномицеты могут выступать в качестве активных биодеструкторов главным образом благодаря синтезу различных гидролитических ферментов, а также антибиотиков, витаминов и других продуктов вторичного метаболизма. Цианобактерии наряду с актиномицетами являются обязательным компонентом сообщества почвенных микроорганизмов и активно принимают участие в таких биохимических процессах, как накопление органического вещества, распределение и аккумуляция различных элементов, разрушение минеральных субстратов. Показан сим-биотический характер взаимодействия цианобакте-рий и актиномицетов при формировании ассоциативного цианобактериально-актиномицетного таллома,
* Работа выполнена при финансовой поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг. Госконтракт П-307 от 6 мая 2010 г.
что заключается в увеличении азотфиксирующей активности цианобактерии, наличии свободной воды в талломе и отсутствии ее в монокультурах цианобактерии и актиномицета, расширении антимикробного спектра в талломе по сравнению с монокультурами [5]. Однако потенциал функциональных проявлений современных сообществ цианобактерий и актиномице-тов изучен далеко не полностью.
Цель работы — исследование изменения структурного состояния слюд различной кристаллохимии под влиянием роста экспериментальных цианобакте-риально-актиномицетных ассоциаций.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования служили: аксеничная культура свободноживущей гетероцистообразующей цианобактерии Anabaena variabilis Kutz. АТСС 29413, полученная из музея кафедры физиологии микроорганизмов биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова; актиномицет, выделенный из апогеотропных корней саговникового растения Stangeria eriopus (G. Kuntze) Nash. и идентифицированный как Streptomyces pluricolorescens шт. № 1. Родовую и видовую принадлежность актиномицета проводили на основании фенотипических и молекулярно-ге-нетических методов секвенирования фрагмента гена 16S рРНК.
Для получения ассоциации в жидкой питательной среде смешивали биомассы актиномицета и цианобактерии (1:1), выращенные в погруженной культуре. Использовали среду BG-11. Культивирование смешанных культур проводили в люминостате при постоянном освещении (780 лк, Т 24 ± 1°).
В качестве минеральной основы для культивирования цианобактериально-актиномицетной ассоциации и составляющих ее компонентов использовали фракции 1—10 мкм пород вермикулита (вермикулит + + биотит) и мусковита. Опыты по разрушению кристаллической решетки минералов проводили в стеклянных стаканах-фильтрах с впаянной пористой мембраной, на которую сначала накладывали фильтровальную бумагу, затем помещали слой (около 5 мм) измельченной до состояния порошка породы; на нее наносили в разных вариантах опыта слой биомассы цианобактерии, актиномицета или ассоциации (около 5 мм). Для поддержания роста водоросли и развития ассоциации слои прокапывали питательной средой BG-11 один раз в 2—3 дня в течение всего опыта. При этом свежая культуральная среда не только обеспечивала рост водоросли, но и вымывала продукты метаболизма в слои минеральной фазы. Длительность проведения опытов составляла 1,5 мес.
Минералогический состав пород определяли рент-гендифрактометрическим методом с помощью универсального рентгендифрактометра XZG фирмы «Carl Zeiss Yena» (Германия). Режим работы аппарата в процессе съемки сохраняли постоянным. Для выявле-
ния изменений структурного состояния минералов съемка проведена при 30 кВ, 25 мА. Использовано медное излучение, фильтрованное никелем. Рентген-дифрактограммы получены для образцов в воздушно-сухом состоянии после их насыщения этиленгли-колем и после прокаливания при температуре 550° в течение двух часов. Диагностику минералов проводили по общепринятым руководствам [3, 7].
Результаты и их обсуждение
Рентгендифрактограмма породы вермикулита позволяет сделать вывод о присутствии в породе, кроме минерала вермикулита, значительной примеси слюды (биотита) (рис. 1). Биотит диагностирован по наличию целочисленной серии отражений, кратных 10 А, а именно ^002 = 5,01, ^0оз = 3,33 А (рис. 1, I, а). Эти отражения не изменяются при прокаливании образ-
Рис. 1. Рентгендифрактограмма глинистых минералов в породе вермикулита: I — исходный образец вермикулита; II — образец после выращивания таллома ассоциации цианобактерии Anabaena variabilis и стрептомицета Streptomyces pluricolorescens: а — воздушно-сухой образец породы, б — образец после сольватации этиленгликолем, в — образец после прокаливания при 550° в течение двух часов. Высота и ширина пика — интенсивность рефлекса минерала, цифры — межплоскостное расстояние минералов, выраженное в ангстремах (здесь и на рис. 2)
Рис. 2. Рентгендифрактограмма глинистых минералов в породе мусковита: I — исходный образец вермикулита; II — образец после выращивания таллома ассоциации цианобактерии Anabaena variabilis и стрептомицета Streptomyces pluricolorescens
ца при 550° в течение двух часов (рис. 1, I, в) и насыщении его этиленгликолем (рис. 1, I, б). Диагностика вермикулита основана на наличии интенсивного отражения первого порядка, соответствующего межплоскостному расстоянию 14 А и серии базаль-ных рефлексов с наиболее сильными рефлексами 4-го и 5-го порядков, соответственно 3,64 и 2,88 А (рис. 1, I, а). Насыщение образцов этиленгликолем не изменяет величин базальных межплоскостных расстояний (рис. 1, I, б). Прокаливание при 550° в данном случае не привело к полному сжатию решетки минерала до 10 А, сохранился остаточный продукт, отличающийся значительным снижением интенсивности первого рефлекса (рис. 1, I, в).
Культивирование ассоциации цианобактерии A. variabilis и актиномицета S. pluricolorescens оказало существенное структурное преобразование слагающих
породу минералов, что выражается в уменьшении интенсивности рефлексов вермикулита и биотита. Отмечается образование набухающей фазы — продукта трансформации биотита в смешанослойное слюда-смектитовое образование, что диагностируется по наличию характерных рефлексов в области 12,7 и 24,4 А (рис. 1, II, а). Показано также снижение интенсивности базальных отражений в области ¿001, ¿004 и ¿005 в три раза, что свидетельствует о процессе разрушения вермикулита (рис. 1, II, а).
Минералогический анализ породы мусковита, проведенный с помощью универсального рентген-дифрактометра, позволил сделать вывод о мономи-неральности породы — диагностировано по наличию характерных для мусковита рефлексов ¿001 = 10,00 А; ¿002 = 5,01; ¿003 = 3,33 А, сохраняющихся после сольватации этиленгликолем и прокаливания при 550° (рис. 2, I, а—в). Наличие на препаратах этих четко различимых рефлексов позволяет сделать вывод о высокой степени совершенства структуры мусковита.
Сольватация образца этиленгликолем и прокаливание в течение двух часов при 550° не привели к изменению межплоскостного расстояния минерала, и на рентгендифрактограммах отражается четкий рефлекс мусковита ¿001 = 10 А (рис. 2, I, б).
Цианобактериально-актиномицетная ассоциация цианобактерии АпаЬаепа уагШШ и актиномицета Streptomyces р!ыпсо1о^сет, в течение двух месяцев выращиваемая на данном образце породы, практически не повлияла на структуру минерала (интенсивность рефлексов лишь незначительно уменьшилась по сравнению с первоначальным вариантом) (рис. 2, II). Таким образом, мусковит является стойким к выветриванию, в частности биологическому, минералом и не разрушается под действием биологически активных веществ, продуцируемых цианобактериально-акти-номицетной ассоциацией.
Показано различие в процессах преобразования глинистых минералов в зависимости от их кристаллохимии и устойчивости к процессам выветривания. Появление в породе вермикулита в результате воздействия экспериментальной ассоциации набухающей фазы — продукта трансформации биотита в смешанослойное биотит-вермикулитовое образование — свидетельствует о большей скорости и масштабе дегра-дационного преобразования биотита, относящегося к триоктаэдрическому ряду слюд, по сравнению с мусковитом (слюдой диоктаэдрического типа).
СПИСОК ЛИТЕРАТУР]Ы
1. Алексеева Т.В., Сапова Е.В., 1ерасименко Л.М, Алексеев А.О. Преобразование глинистых минералов под воздействием алкалофильного цианобактериального сообщества // Микробиол. 2009. Т. 78, № 6.
2. Аристовская Е.И. Микробиология процессов почвообразования. Л., 1980.
3.1радусов Б.П. Смешанослойные минералы в почве. М., 1976.
4. Иванова Е.А., Зенова Г.М., Чыжыкова Н.П. Структурное преобразование глинистых минералов под влиянием модельных ассоциаций цианобактерии и актиноми-цетов / Медицинская геология: состояние и перспективы. М., 2010.
5. Зенова Г.М., Иванова Е.А., Омарова Е.О. и др. Модельные ассоциации актиномицетов и цианобактерии Anabaena variabilis Kutz. и их способность к преобразованию
структуры глинистых материалов // Теоретическая и прикладная экология. 2009. № 3.
6. Розанов А.Ю. Ископаемые бактерии, седиментоге-нез и ранние стадии эволюции биосферы // Палеонтол. журн. 2003. № 6.
7. Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Толпешта И.И. Глинистые материалы в почвах. Тула, 2005.
8. Чижикова Н.П., Омарова Е.О., Зенова Т.М., Ма-нучаров А. С. Взаимодействие цианоактономицетных сообществ с глинистыми минералами // Бюл. Почвенного ин-та им. В.В. Докучаева. 2008. Вып. 61.
Поступила в редакцию 01.08.2011
THE TRANSFORMATION OF MICAS OF VARIOUS CRYSTAL CHEMISTRY
UNDER THE CYANOBACTERIAL-ACTINOMYCETES ASSOCIATIONS INFLUENCE
E.A. Ivanova, N.P. Chizhikova, G.M. Zenova
The ability of the experimental cyanobacterial-actinomycetal associations to change the structure of micas has been revealed. It was noticed that the rates of mineral transformation depend on their crystal-chemical composition — the structure of biotite — trioctahedral mica, transformed sustainably under the influence of cyanobacterial-actinomycetal association's growth, which was detected by the emergence of mixed-layered biotite-vermiculite formation in the rock sample. In the case of diocta-hedral mica — muscovite, the significant transformational changes under the influence of association has not been revealed. The symmetry and high clearness of mineral reflexes' after the association's growth indicates a high tolerance of muscovite to the biological weathering.
Key words: trioctahedral and dioctahedral micas, cyanobacteria, actinomycetes.
Сведения об авторах
Иванова Екатерина Андреевна, аспирант каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-44-46; e-mail: [email protected]. Чижикова Наталья Петровна, докт. с.-х. наук, профессор, вед. науч. сотр. Почвенного института им. В.В. Докучаева РАСХН. Тел.: 8(495)636-06-36. Зенова Галина Михайловна, докт. биол. наук, профессор каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-44-46.
УДК 631.4
ПОЧВЫ БОТАНИЧЕСКОГО САДА НА ОСТРОВЕ БОЛЬШОЙ СОЛОВЕЦКИЙ
И.С. Урусевская, Н.Н. Матинян
Рассмотрены почвы Ботанического сада на о. Большой Соловецкий. Изучены закономерности распространения, особенности строения и свойств антропогенно-преобразованных почв в сравнении с естественными, сформированными в аналогичных литолого-геоморфо-логических условиях.
Ключевые слова: почвы, антропогенные почвы, Ботанический сад, Соловецкие острова.
Введение
Соловецкие острова представляют собой уникальный комплекс памятников истории, почти нетронутой природы и культурных ландшафтов. К числу удивительных территорий, на которые большое влияние оказала деятельность человека, относится Ботанический сад, расположенный на о. Большой Соловецкий в подзоне северной тайги, в 165 км к югу от Полярного круга.
Макарьевская пустынь (современный Ботанический сад) была основана архимандритом Макарием в 1822 г. в 4 км к северо-западу от кремля. Она расположена в глубокой ложбине у озер Нижний Перт и Кухонное. Высокие холмы и гряды, поросшие ельником-черничником, защищают ложбину с трех сторон от холодных ветров и способствуют созданию в ней особого микроклимата для роста растений. Летом в солнечные дни температура воздуха здесь бывает на 2—4°, а на поверхности почвы на 5—10° выше, чем на побережье и на других открытых местах.
В Макарьевской пустыни был разбит обширный монастырский огород, где выращивали разные овощи и лекарственные травы, устроены цветочные клумбы, по склонам посажены плодово-ягодные кустарники, построены теплицы и парники, в которых вызревали черный и белый виноград, огурцы, арбузы и дыни. По-видимому, для подземного обогрева теплиц и парников использовали теплую воду, остававшуюся после перетапливания воска на построенном в 1850 г. на территории сада воскобелильном заводе. К середине 1850-х гг. сад постепенно расширился до защищающего его с севера холма, на вершине которого в 1862 г. был построен дом для посещений настоятеля монастыря, получивший название Дача архимандрита. В те же годы окрепло и садовое хозяйство: на укрепленных валунами террасах были высажены яблони-китайки (ягодная и сливолистная). Постепенно на территории пустыни создавалась коллекция растений-интродуцентов, среди них кедр сибирский, липа мелколистная, черемуха, ирга круглолистная, сирень венгерская, спирея иволистная, роза морщинистая (шиповник), бадан толстолистный и др.
Во время нахождения на острове Соловецкого лагеря особого назначения (СЛОН) силами заключенных, среди которых были и настоящие специалисты, в саду появилось более 25 видов деревьев и кустарников. В 1933 г. из саженцев сибирской лиственницы, выращенных в Варваринском питомнике, вдоль главной дороги сада была посажена аллея длиной 138 м. Сейчас в ней 78 взрослых деревьев [2].
С 1939 по 1959 г. сад находился в ведении командования Северного флота. В это время здесь не было специалистов, работы с растениями не проводились, луга и грядки использовались как сенокосы, а древесные насаждения сильно заросли. Ради шишек было срублено несколько самых старых и урожайных кедров.
В апреле 1959 г. сад отдали соловецкой средней школе и на его территории организовали школьное опытное хозяйство, просуществовавшее до 1969 г. В марте 1972 г. сад передали соловецкому лесничеству Архангельского лесхоза, а в 1974 — Соловецкому музею-заповеднику в статусе дендрария. В 1981 г. территории был присвоен статус ботанического сада. В 2001 г. его переименовали в музейный комплекс «Ботанический сад — Макарьевская пустынь».
В 2004 г. коллекция сада насчитывала 147 таксонов древесно-кустарниковых и 225 травянистых растений [2]. Расчищенная в свое время от леса и обработанная территория сада занимает площадь примерно в 5 га. В последние годы к нему присоединена окружающая его почти не тронутая лесная зона. Вместе с ней сад занимает около 14 га.
Цель настоящей статьи — изучение закономерностей распространения, строения, свойств и антропогенной эволюции почв Ботанического сада.
Объекты и методы исследования
Материал для исследования был собран в совместных экспедициях Московского и Санкт-Петербургского университетов в 2000—2005 гг. Для изучения почв Ботанического сада и закономерностей их распространения, обусловленных как природными факторами, так и антропогенным воздействием, был за-
ложен почвенно-геоморфологический профиль, изучены девять почвенных разрезов.
Определяли гранулометрический состав почв (пи-рофосфатный метод), рН солевой и водной суспензий, гидролитическую кислотность, обменные основания, содержание гумуса, валовой химический состав (рент-генфлуорисцентный метод), оксалаторастворимое железо (по Тамму), подвижные формы фосфора и калия (по Кирсанову).
Названия почв даны согласно Классификации почв России [1] с некоторыми нашими коррективами и дополнениями [3, 4].
Результаты и их обсуждение
Почвенно-геоморфологический профиль пересекает склоны двух моренных гряд и ложбину между ними и включает восемь почвенных разрезов (рисунок). Моренная гряда, примыкающая к ложбине с запада, имеет крутой склон восточной экспозиции, поросший еловым лесом. На вершине гряды, в 22 м от Поклонного креста, под ельником чернично-зе-леномошным с березой и осиной во втором ярусе был обнаружен подзол иллювиально-железистый песчаный (разр. 3 6). Профиль почвы состоит из следующих горизонтов: О (0—5 см) — АЕ (5—8 см) — Е (8—23 см) — ВП (23—45 см) — ВО (45—67 см) — ВС (67—91 см) — С (91—113 см). Под подстилкой лежит белесый подзолистый горизонт, в верхней части с сероватым оттенком. Он сменяется ржаво-охристым альфегумусовым горизонтом, светлеющим книзу и постепенно переходящим в почвообразующую породу — супесчаную валунную морену. Его строение типично для широко распространенных на острове подзолов и он может рассматриваться в качестве эталона целинных почв.
У подножия склона, на краю ложбины, под ельником чернично-зеленомошным развит торфяно-глее-зем потечно-гумусовый (разр. 3 3), в котором торфя-ный горизонт на глубине 17 см подстилается глеевым горизонтом, прокрашенным в верхней части потечным органическим веществом. Далее почвенно-геоморфо-логический профиль пересекает ложбину, переувлажненную и заторфованную, но в монастырские времена тщательно выровненную, мелиорированную откры-
м
Почвенно-геоморфологический профиль
тыми канавами и превращенную в культурный сенокосный луг, называемый Большим лугом. В ложбине заложены два разреза.
Разрез 32 находится в центре депрессии под разнотравно-злаковым лугом и характеризует агрозем торфяный. В профиле оземленный в результате мелиорации агроторфяный гор. РТшё, мощностью 22 см, сменяется песчаным кофейно-коричневым гумусово-железистым гор. ВИГ, ниже которого следует охристый гор. ВЮх с более темными тонкими сцементированными железистыми прослойками и мелкоземистыми ожелезненными пленками на валунных включениях. Ниже идет буровато-охристый с сизоватыми прослоями и оливковым оттенком оглеенный гор. ВО. С глубины 103 см появляются грунтовые воды.
Разрез 120 характеризует агроторфяно-подзол глеевый оземленный. Профиль почвы имеет следующее строение: Рё (0—3 см) — РТшё (3—17 см) — Т (17—40 см) — ЕО (40—50 см) — В^ (50—63 см) — ВО§ (63—76 см) — ВСб (76—120 см). Под агротор-фяным оземленным горизонтом, темно-серым с буроватым оттенком, лежит темно-коричневый хорошо разложившийся торф, ниже следуют оглеенный подзолистый горизонт, альфегумусовые горизонты и поч-вообразующая порода.
Нижние и средние части склона восточной гряды сложены завалуненой супесчаной мореной, подстилаемой с глубины около 1 м ленточными глинами. Присутствие их в почвенном профиле свидетельствует о том, что в прошлом ложбина представляла собой водоем озерно-ледникового генезиса.
Разрез 121 заложен у подножия склона юго-западной экспозиции под посадками кедров 1856 г. Микрорельеф участка представлен в виде плоских грядок шириной 1,3—1,5 м и высотой 20—30 см. Почвообразующая порода — двучленные отложения: моренная супесь на ленточных глинах. Для произрастания ценных растений был сформирован насыпной слой мощностью 34 см, перекрывший профиль подзола. Почва — дерново-подзол иллювиально-же-лезистый стратифицированный: О (0—5 см) — АтИ (5—34 см) — Е (34—51 см) — ВГ (51—74 см) — 11ВС (74—125 см).
Разрез 31 расположен в нижней части пологого склона западной экспозиции под разнотравно-злаковой растительностью, на месте заброшенных грядок, следы которых хорошо прослеживаются в микрорельефе. Почва имеет следующий вид: Рит (0—20 см) — ЯИит (20—36 см) — ЯИ (36—45 см) — Е (45—60 см) — ВГ (60—81 см) — ВГб (81—101 см) — 11С1 (101—121 см) — 11С2 (121—140 см). Профиль подзола, сформированного на супесчаной морене, подстилаемой ленточными глинами, перекрыт аллох-тонным мелкоземистым материалом мощностью 45 см с антропогенными включениями (обломки кирпича, кованые гвозди). В верхней части наноса образовался буровато-серый комковатый агрогумусовый
горизонт. Почва — урбиагростратозем на погребенном подзоле.
Немного выше, на террасированном склоне юго-западной экспозиции, расположен так называемый Фруктовый сад. Микрорельеф выражен в виде плоских грядок шириной 1,3 м и высотой около 20 см. Разрез 122 заложен между рядами ирги и черемухи. В напочвенном покрове присутствуют клевер, герань, хвощ, манжетка, мятлик, зеленые мхи. Мощность насыпного слоя, содержащего антропогенные включения, 42 см. Ниже, как и в предыдущем разрезе, лежит профиль подзола на морене, подстилаемой ленточными глинами. Почва — урбиагростратозем на погребенном подзоле состоит из следующих горизонтов: Риг (0—14 см) — ЯЦиг (14—35 см) — ЯУиг (35—42 см) — Е (42—51 см) — ВП (51—70 см) — В12 (70—85 см) — ВС (85—96 см) — 11С (96—150 см). Агро-гумусовый горизонт имеет серую окраску, мелкоком-ковато-порошистый, с включениями обломков кирпича и керамики, в верхней части густо переплетен корнями, образующими дернину.
И, наконец, в верхней части искусственно террасированного склона западной экспозиции под разнотравно-злаковой растительностью расположен разр . 3 0 — агродерново-подзол стратифицированный. В отличие от урбиагростратоземов в этой почве стратифицированный горизонт, перекрывающий профиль подзола, имеет мощность менее 40 см и не содержит артефактов.
Кроме перечисленных разрезов, приуроченных к почвенно-геоморфологическому профилю, был заложен разр. 37 в 20 м от дачи архимандрита,
на холме, замыкающем ложбину с севера. Растительность здесь разнотравно-злаковая с посадками облепихи, грецкого ореха и вишен. По строению профиля эта почва очень близка разр. 30: насыпная толща мощностью 33 см перекрывает подзол, но, в отличие от разр. 30, в ней содержатся антропогенные включения (обломки кирпича, стекла, угольки). Название почвы — агродерново-подзол урбистратифи-цированный.
Таким образом, характерным приемом, использованным монахами для окультуривания автоморфных малоплодородных природных почв — альфегумусо-вых подзолов, была подсыпка на поверхность мел-коземистого материала. В результате в профиле почв создавался новый гомогенный гумусированный горизонт. В гидроморфных почвах ложбины, мелиорированных открытыми канавами, вследствие осушения и освоения агроторфяные горизонты отличаются высокой степенью разложенности торфа и приобретают черты гумусового горизонта с мелкокомковатой структурой. Большой луг засевали травами и использовали в качестве сенокоса.
По гранулометрическому составу целинный подзол под лесом (разр. 36) песчано-супесчаный (табл. 1). В составе мелкозема преобладают песчаные фракции (более 70%), а среди них — фракция мелкого песка. Содержание илистой фракции низкое (1—5%). Распределение ила по профилю элювиально-иллювиальное: подзолистый горизонт обеднен илом, в аль-фегумусовых горизонтах содержание его увеличивается. Почвообразующая порода — супесчаная морена.
Таблица 1
Гранулометрический состав почв Ботанического сада
Раз- Почва Горизонт, глубина, см Содержание фракций, %; размер частиц, мм
рез 1—0,5 0,5—0,25 0,25—0,05 0,05—0,01 0,01—0,005 0,005—0,001 < 0,001 < 0,01
36 подзол иллювиаль- АЕ 5—8 12 17 47 16 3 2 3 8
но-железистый песчаный Е 8—23 16 20 38 17 4 4 1 9
ВП 23—45 15 18 39 16 4 4 4 12
ВО 45—67 18 17 38 17 3 5 2 10
ВС 67—91 18 17 36 17 4 3 5 12
С 91—113 16 17 40 16 3 5 3 11
33 торфяно-глеезем ВЫ 17—42 11 18 41 18 2 3 7 12
потечно-гумусовый ВО 42—63 17 18 40 14 2 4 5 11
О 63—73 18 17 37 17 2 4 5 11
32 агрозем торфяный Рw 0—3 18 22 30 12 2 6 10 18
оземленный РТшё 3—19 20 26 24 10 3 9 8 20
РТе 19—22 20 26 40 4 3 2 5 10
ВИГ 22—50 31 24 33 5 1 1 5 7
Вйх 50—67 25 27 40 3 1 1 3 5
ВО 70—100 33 21 39 3 1 1 2 4
Окончание табл. 1
Разрез Почва Горизонт, глубина, см Содержание фракций, %; размер частиц, мм
1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 < 0,001 < 0,01
31 урбиагростратозем на погребенном подзоле Pur 0-20 10 16 38 17 6 7 6 19
RUur 20-36 8 16 35 18 8 8 7 23
RU 36-45 5 12 43 23 6 5 6 17
E 45-60 5 11 49 23 4 4 4 12
Bf 60-81 5 10 41 21 6 6 11 23
Bfg 81-101 4 14 54 15 3 5 5 13
IIC1 101-121 0,3 3 44 27 6 8 12 26
IIC2 121-140 0 0,4 40 43 6 4 6 16
122 урбиагростратозем на погребенном подзоле Pur 0-14 25 39 10 7 8 11 26
RUur 14-35 22 37 10 8 7 16 31
RYur 35-42 13 44 19 7 2 15 24
E 42-51 4 41 25 9 11 10 30
Bf1 51-70 2 52 16 7 13 10 30
Bf2 70-85 1 55 6 11 9 18 38
BC 85-96 3 57 4 11 8 17 36
IIC 96-150 1 52 7 5 17 18 40
30 агродерново-подзол стратифицированный Pw 0-8 17 19 39 13 3 4 5 12
P1 8-22 14 19 40 13 4 4 6 14
P2 22-38 13 22 39 14 3 5 4 12
E 38-50 20 22 39 12 2 3 2 7
Bf 50-68 13 19 39 16 3 4 6 13
BC 68-84 12 17 44 15 4 4 4 12
C 84-102 15 19 41 14 4 4 3 11
37 агродерново-подзол урбистратифициро-ванный Pur 0-15 23 44 17 4 6 6 16
Pur 15-30 22 48 15 5 4 6 15
E 33-39 18 54 14 5 5 4 14
Bf 39-58 18 50 15 3 7 7 17
BC 58-70 20 56 11 3 5 5 13
IIC1 70-80* 4 23 30 8 15 20 43
IIC1 80-100 53 41 1 1 1 3 5
IIC2 125-135 1 20 36 10 13 19 43
* 11С (ленточная глина): 70—80 см — тяжелосуглинистый, 80—100 см — песчаный слои.
Таблица 2
Валовой химический состав, % на прокаленную навеску
Разрез Почва Горизонт, глубина, см SiO2 AI2O3 Fe2O3 TiO2 MnO CaO MgO P2O5 K2O Na2O
36 подзол иллюви- АЕ+Е 5—23 78,4 11,6 1,42 0,31 0,03 2,07 0,42 < 0,05 2,18 3,42
ально-железистый ВП 23—45 73,7 12,7 3,28 0,41 0,05 2,61 0,97 0,19 2,08 3,52
ВО 45—67 73,7 12,7 3,07 0,40 0,05 2,86 1,25 0,10 2,04 3,51
ВС 67—91 74,5 12,3 2,73 0,42 0,05 2,82 1,16 0,10 2,06 3,53
С 105—113 74,4 12,7 2,57 0,39 0,05 2,80 1,03 0,09 2,13 3,64
Химические свойства почв Ботанического сада
Разрез Почва Горизонт, глубина, см Гу- мус, % Запас гумуса, т/га в слоях, см 0-20 0-50 0-100 Сгк:Сфк рНвод. рНсол. Гидролитическая кислотность Обменные Са2+ + М§2+ Степень насыщенности основаниями, % Подвижные формы Ее203, по Тамму, %
р2о5 к2о
ммоль-экв/100 г почвы мг/100 г почвы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
36 подзол ил-лювиально-железистый песчаный О 0-5 34,9* 25 49 121 0,7 4,4 3,2 не опр. не опр. не опр. не опр. 0,24
АЕ 5-8 0,9 0,6 4,8 3,4 4,7 2,4 34 5,5 10,3 0,08
Е 8-23 0,9 5,4 3,5 1,3 0,8 39 4,2 2,7 0,06
ВП 23-45 0,9 0,6 5,4 4,3 2,4 1,3 36 18,3 3,4 0,24
ВО 45-67 0,8 0,6 5,7 4,8 1,1 1,2 53 24,7 2,7 0,46
ВС 67-91 0,7 0,5 6,0 4,7 0,7 1,0 58 21,7 2,5 0,19
С 105-113 0,7 0,4 6,2 4,7 0,7 1,1 60 22,3 2,7 0,13
33 торфяно-глеезем потечно-гумусовый Т1 0-9 89,6* не опр. не опр. 3,8 2,8 84,4 32,6 28 9,5 16,3 не опр.
Т2 9-17 85,2* то же 4,4 3,3 60,2 13,7 18 18,5 9,8 то же
ВЫ 17-42 7,9 5,0 3,7 7,9 7,7 49 6,5 2,3 — " —
ВО 42-63 2,0 5,7 4,0 1,3 6,8 84 24,8 2,5
О 63-73 2,0 6,0 4,6 1,3 6,6 83 25,3 2,3 — " —
32 агрозем торфяный оземленный Рс1 0-3 18,1 не опр. 4,0 3,5 не опр. 28,4 не опр. 15,0 10,7 0,23
РТтё 3-19 22,8 4,2 3,8 9,8 9,3 49 4,1 3,5 0,31
РТе 19-22 2,6 5,2 4,3 3,2 6,6 67 3,3 1,7 0,24
ВИ! 22-50 1,5 5,4 4,5 4,7 6,1 57 11,8 2,2 0,35
Вйж 50-67 0,9 5,6 4,8 2,9 4,6 61 18,1 1,2 0,19
ВО 70-100 0,9 5,4 4,5 2,1 6,8 77 17,5 1,4 0,18
120 агроторфяно-подзол глеевый оземленный Р\¥ 0-3 12,8 не опр. не опр. 4,0 3,7 69,0 33,0 32 не опр. не опр.
РТтё 3-17 12,8 1,0 4,1 3,7 22,5 14,3 39 то же то же
Т 17-40 32,4* 1,7 4,1 3,7 61,2 22,2 27
ЕО 40-50 1,7 0,9 5,3 4,0 12,2 18,7 61
ВПв 50-63 0,5 0,3 5,1 4,3 4,0 12,2 75
63-76 0,2 не опр. 5,2 4,3 4,3 4,0 48
ВСв 76-120 0,2 то же 5,0 4,4 4,4 4,4 48
121 дерново-подзол стратифицированный О 0-5 47,0* 65 125 157 не опр. 5,0 4,2 7,5 13,0 63 57,0 24,5 не опр.
АгИ 5-18 5,0 то же 4,7 3,9 5,3 3,0 36 18,6 4,9 то же
АгИ 18-34 2,4 — " — 4,7 4,1 3,3 2,6 44 24,0 3,5
Е 34-51 1,4 5,0 4,2 3,8 2,8 43 13,1 4,0
Окончание табл. 3
Ы 00
3
10
11
12
13
14
Bf 51-79
0,7
5,2
4,4
1,8
2,8
IIBC 79-129
0,2
5,4
4,7
1,5
3,2
62
16,8
14,0
2,0
8,0
31
урбиагро-стратозем на погребенном подзоле
Pur 0-20
5,6
RUur 20-36
4,7
124
323 427
1,4
5,0
4,3
3,4
11,4
1,1
5,3
4,4
2,7
8,2
RU 36-45
9,1
1,7
5,2
4,8
2,6
10,0
Е 45-60
1,6
0,6
5,5
4,2
1,0
6,6
Bf 60-81
1,6
0,7
5,5
4,5
3,3
10,4
Bfg 81-101
0,8
0,5
5,6
4,6
1,8
7,3
IIC 101-115
0,7
0,4
5,6
4,6
1,6
7,3
77
75
79
87
76
82
11,5
16,1
18,6
5,5
10,4
25,2
16,9
4,9
2,0
2,0
1,7
1,7
2,0
3,6
0,41
0,42
0,32
0,12
0,95
0,35
0,40
122
урбиагро-стратозем на погребенном подзоле
Pd 0-3
5,5
Pur 3-14
4,9
120 132 195
не опр.
5,3
4,5
10,1
28,3
5,5
4,3
11,0
19,1
RUur 14-35
5,2
RYur 35-42
3,0
Е 42-51
0,7
Bfl 51-70
1,0
Bf2 70-85
1,1
ВС 85-96
0,3
IIC 96-150
0,2
5,5
4,2
12,4
5,3
5,6
4,3
7,4
3,3
5,6
4,3
4,1
2,2
5,6
4,3
6,0
3,3
5,6
4,3
6,0
3,2
5,8
4,5
3,7
4,3
6,0
4,7
3,2
7,4
74
63
30
31
35
35
35
54
70
36,7
26,5
10,6
0,6
0,6
1,6
1,9
21,3
28,4
33,5
6,5
4,6
3,0
2,5
2,0
3,0
3,5
14,4
не опр.
30
агродерново-подзол стра-тифициро-
Pw 0-8
3,5
PI 8-22
1,3
43 79 120
1Д
5,2
4,5
2,2
15,8
0,6
5,2
4,3
2,5
6,5
Р2 22-38
1,0
0,3
5,4
4,3
2,5
6,0
Е 38-50
0,7
0,1
5,3
4,5
1,4
6,6
Bf 50-68
1,0
0,2
5,4
4,4
2,6
7,5
ВС 68-84
0,4
ОД
5,8
4,8
1,3
6,6
С 84-102
0,2
ОД
6,3
5,4
0,3
7,0
72
71
83
75
83
96
20,9
12,9
11,7
14,4
10,7
17,2
22,1
4,9
3,0
2,8
2,0
3,8
2,5
3,0
0,55
0,52
0,53
0,16
1,00
0,32
0,06
37
агродерново-подзол урби-стратифици-рованный
Pur 0-15
3,6
не опр.
не опр.
6,0
5,2
1,7
20,9
Pur 15-30
2,2
6,2
5,6
1,7
16,5
Е 33-39
1,4
Bf 39-58
1Д
ВС 58-70
0,7
HCl 70-8
1,0
HCl 80-100
0,4
IIC2 125-135
0,1
6,2
5,7
1,1
12,6
6,2
5,4
1,3
12,2
6,3
5,4
1Д
4,8
6,1
5,0
1,3
7,9
6,4
5,7
0,6
7,8
6,4
4,9
1,1
17,4
92
91
92
90
81
93
94
16,2
20,7
10,0
14,2
17,3
12,4
19,9
15,7
4,9
5,5
5,1
7,2
7,0
10,8
3,3
3,9
не опр.
Потеря при прокаливании.
Агродерново-подзол стратифицированный (разр. 3 0), расположенный на противоположной гряде на тех же высотных отметках, в естественной части профиля по составу фракций и их распределению аналогичен разр. 36. Насыпная толща имеет супесчаный состав, и в ней незначительно увеличивается содержание ила (4—6%).
В разр. 122, 31 и 37 на глубине 70—100 см супесчаная морена подстилается ленточными глинами. Смена пород хорошо видна по резкому сокращению содержания песчаных фракций и утяжелению гранулометрического состава. Урбиагростратозем (разр. 31) и агрозем урбистратифицированный (разр. 37) имеют супесчаный состав, урбиагростратозем в саду (разр. 122) — легкосуглинистый. Во всех почвах также в составе фракций преобладает мелкий песок, а погребенные насыпным слоем подзолы характеризуются элювиально-иллювиальным распределением ила (табл. 1).
В почвах ложбины минеральная толща, лежащая под торфяными и агроторфяными горизонтами, имеет песчано-супесчаный гранулометрический состав.
Результаты валового анализа показывают, что подзол иллювиально-железистый под лесом характеризуется четкой дифференциацией минеральной толщи по распределению 5102, А^03 и Ре20э. Подзолистый горизонт обеднен А12О3 и Бе203 и относительно обогащен 5102. Все иллювиальные горизонты (ВИГ, БГ и ВС) обогащены А12О3 и Бе203 и обеднены 5102 как по сравнению с подзолистым горизонтом, так и по сравнению с породой (табл. 2).
Распределение оксалаторастворимых форм Бе203 в подзоле под лесом четко дифференцировано по генетическим горизонтам. В подзолистом горизонте количество их уменьшается по сравнению с подстилкой в связи с интенсивным выносом в нижележащие горизонты. В альфегумусовых горизонтах содержание растворимых форм Бе203 резко возрастает, что вызвано главным образом осаждением мигрирующих из гор. О и Е органо-минеральных соединений железа. В профилях подзолов, погребенных насыпной толщей (разр. 30 и 31), хорошо выявляется аналогичная дифференциация Бе203. В стратифицированной толще содержание оксалаторастворимого железа значительно и распределено или равномерно, или слабо уменьшаясь в нижней ее части. В профиле агрозема торфяного максимум железа отмечается непосредственно под оземленным торфом в гумусово-железистом горизонте (табл. 3).
Содержание и запасы гумуса в естественном подзоле под лесом низкие. Распределение гумуса в профиле аккумулятивное. В автоморфных антропогенно-преобразованных почвах подзолы, перекрытые привнесенным материалом, также имеют низкое содержание гумуса с аккумулятивным или элювиально-иллювиальным распределением. В стратифицированных горизонтах дерново- и агродерново-подзолов и особенно урбиагростратоземов количество гумуса существенно увеличивается до 3—5,5%, а порой и
больше. Соответственно возрастанию содержания гумуса и мощности насыпных горизонтов растут его запасы в профиле, достигая в некоторых урбиагро-стратоземах 323 и 427 т/га в слоях 0—50 и 0—100 см соответственно, что превышает этот показатель в серых лесных почвах и приближается к черноземам (табл. 3). Изменяется при окультуривании и состав гумуса. В то время как в целинном подзоле под лесом фульвокислоты преобладают над гуминовыми и отношение Сгк:Сфк по всему профилю < 1, в верхних горизонтах антропогенно-преобразованных почв увеличивается доля гуминовых кислот и гумус становится фульватно-гуматным. Особенно резко это выражено в урбиагростратоземе (разр. 31), где в стратифицированной толще отношение Сгк:Сфк увеличивается до 1,1—1,7. В нижележащем профиле погребенного подзола состав гумуса аналогичен природному подзолу.
Все исследованные почвы кислые, кислотность уменьшается вниз по профилю. По величинам рН антропогенные почвы большей частью близки природным. Однако благодаря увеличению в них содержания обменных оснований степень насыщенности увеличивается. Почвы хорошо обеспечены подвижными формами фосфора. Обеспеченность подвижным калием низкая (табл. 3).
Выводы
• В почвенном покрове Ботанического сада (за исключением территории, занятой естественной лесной растительностью) господствуют антропогенно-преобразованные почвы.
• Закономерности распространения, строение и свойства антропогенно-преобразованных почв определяются особенностями литолого-геоморфологиче-ских и гидрологических условий, а также способами их создания, зависящими от направления использования (сад, посадки интродуцентов, сенокосный луг, декоративное озеленение и др.).
• Главным результатом антропогенной эволюции является активизация гумусово-аккумулятивного процесса, формирование нового по своему облику и свойствам гомогенизированного агрегированного аг-рогумусового горизонта, образованного насыпанием аллохтонного мелкоземистого материала на поверхность естественных подзолов с последующим окультуриванием.
• Агрогумусовый горизонт отличается от верхних горизонтов целинных почв повышенным содержанием гумуса и его запасов, а в составе гумуса — гу-миновых кислот; увеличением количества обменных оснований и степени насыщенности ими; возрастанием содержания подвижных форм фосфора.
• В гидроморфных почвах ложбины, осушенных и освоенных, происходит оземление торфа с формированием агроторфяного горизонта, отличающегося мелкокомковатой структурой и высоким содержанием гумуса.
• Созданные вековым трудом монахов антропо- саду самых разнообразных культур, не характерных генные почвы явились основой для выращивания в для суровых северных условий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004.
2. Паршин А.Ю. Соловецкий сад. Ботанический сад — Макарьевская пустынь Соловецкого государственного ис-торико-архитектурного и природного музея-заповедника. М., 2005.
3. Урусевская И.С., Матинян H.H. Антропогенно-преобразованные почвы островных монастырей таежно-лесной зоны России // Почвоведение. 2005. № 9.
4. Урусевская И.С., Матинян H.H., Русаков A.B. Антропогенно-преобразованные почвы Иверского монастыря // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2001. № 3.
Поступила в редакцию 23.12.2011
SOILS OF THE BOTANICAL GARDEN ON THE ISLAND BOLSHOI SOLOVETSKY
I.S. Urusevskaya, N.N. Matinian
Soils of the Botanical garden on the island Bolshoi Solovetsky have been studied. The patterns of soil spatial distribution in this areas are established. Morphology and properties of human-modified soils are characterized as compared with native soils, formed under the same litho-geomorpho-logical conditions.
Key words: human-modified soils, Botanical garden, island Bolshoi Solovetsky.
Сведения об авторах
Урусевская Инга Сергеевна, докт. биол. наук, профессор каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-36-41; e-mail: [email protected]. Матинян Наталья Никитична, докт. с.-х. наук, профессор биолого-почв. ф-та Санкт-Петербургского гос. ун-та. E-mail: [email protected].
УДК 631.438.2
ФОРМЫ ХИМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАДИОАКТИВНОГО СТРОНЦИЯ С ОРГАНИЧЕСКИМ ВЕЩЕСТВОМ ПОЧВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
М.В. Федоркова, Е.П. Пахненко, Н.И. Санжарова
В условиях модельного эксперимента установлены закономерности взаимодействия радиоактивного изотопа 908г с органическим веществом основных типов почв, распространенных на европейской части Российской Федерации. В исследуемых почвах 40—60% (от внесенного количества) радионуклида находятся в обменной форме, при этом 25—35% сорбируется фракциями 1 и 1а фульвокислот (ФК). Показано, что 908г способен образовывать соединения с неспецифическими органическими веществами (молекулярной массой (М) от 180 до 500 г/моль) во всех почвах независимо от их типа. С высокомолекулярной фракцией (М > 500 г/моль) наибольшее количество радионуклида связано в черноземах, каштановой и торфяной почвах — 18—24% от внесенного; в дерново-подзолистой и светло-серой лесной почвах он обнаружен в значительном количестве (33—34%) в составе минеральных компонентов (М< 180 г/моль).
Ключевые слова: 908г, радионуклид, тип почвы, органическое вещество, молекулярная масса, химические соединения, форма нахождения, фульвокислоты.
Введение
Радиоактивный изотоп стронция (908г) неслучайно относится к числу наиболее опасных полютантов, представляющих угрозу для здоровья человека. Являясь долгоживущим изотопом, он отличается высокой биологической подвижностью. Согласно данным белорусских ученых, несмотря на то что сельскохозяйственные угодья ряда районов, пострадавших в результате аварии на ЧАЭС, имеют более низкую плотность загрязнения чем его вклад в
дозу внутреннего облучения населения со временем не снижается [9]. Авторы объясняют этот факт тем, что коэффициент перехода (пропорциональности) (Кп, Бк/кг: кБк/м2) 908г в сельскохозяйственные культуры значительно больше, чем Кп 137С8.
Наиболее существенными свойствами почв, определяющими биологическую подвижность 908г, исследователи считают емкость поглощения, сумму обменных кальция и магния, рН, механический состав, содержание органического углерода [8]. Данные, касающиеся влияния органического вещества на поведение 908г в почве, весьма разноречивы.
На ранних этапах исследований было установлено, что Кп 908г в сельскохозяйственные культуры из почв, богатых гумусом, меньше, чем из малогу-мусных. Так, показано, что они сорбируют 908г в обменной форме, но прочность связи его в данном случае выше, чем у почв с низким содержанием органического вещества [3]. Позднее немецкими учеными было установлено, что, напротив, увеличение содержания гумуса в подзолистых почвах повышает коэффициент накопления этого изотопа зерновыми культурами (положительная корреляция) [10, 11, 13]. Другие исследователи отмечают отсутствие корреляционной зависимости между содержанием гумино-
вых кислот и диффузной проницаемостью почвы по отношению к 908г [14].
На современном этапе исследований основное внимание уделяется изучению различных химических форм соединений радионуклидов с органическим веществом почвы. Отмечено, что металлорганические соединения различаются по молекулярным массам, прочности связи с металлом, содержанию и биологической доступности радионуклидов в их составе [1,4].
Таким образом, для понимания механизмов биологической доступности 908г необходимо изучение влияния на подвижность радионуклида не только количественного, но и качественного состава органического вещества почвы.
Цель данного исследования — установить закономерности взаимодействия 908г с органическим веществом основных типов почв европейской части территории Российской Федерации.
Объекты и методы исследования
Исследования проводили на пахотных окультуренных почвах, типичных для европейской части России. В эксперименте представлены почвы, различающиеся по механическому составу, генезису и другим параметрам. При отборе почв учитывали географический фактор их распространения.
Таким образом, в качестве объектов исследования были выбраны шесть автоморфных почв: дерново-подзолистая (Калужская обл.), светло-серая лесная (Тульская обл.), чернозем обыкновенный (Курская обл.), чернозем типичный (Орловская обл.), чернозем южный (Ростовская обл.), каштановая (Ростовская обл.) и одна гидроморфная — торфяная низинная перегнойная (Калужская обл.).
Для проведения модельного эксперимента использовали образцы почв весом 2,5 кг, которые помеща-
ли в пластиковые сосуды; стронций вносили в виде водного раствора, активность которого составляла 1,5 • 105 Бк/мл, в количестве, необходимом для насыщения каждой почвы до 60% от полевой влагоем-кости (ПВ). Повторность опыта 5-кратная. После внесения радионуклида для стабилизации процессов взаимодействия сосуды сохраняли при оптимальной влажности и комнатной температуре. Активность 90Sr в исследуемых почвах изменялась от 3,28 • 105 до 5,11 • 105 Бк/кг.
В исследуемых почвах были изучены формы нахождения 90Sr методом последовательных вытяжек [7]; его распределение по группам и фракциям органического вещества, выделенных по методу И.В. Тюрина (в модификации Пономаревой, Плотниковой); содержание этого изотопа в массово-молекулярных фракциях органического вещества, выделенных методом гель-хроматографии.
Результаты и их обсуждение
Формы нахождения 90Sr в почвах. Подвижность и, следовательно, биологическая доступность радионуклидов в значительной степени обусловлены состоянием и формами нахождения их в почве. Анализ данных показал, что от 40 до 60% (от содержащегося в почве) 90Sr находится в обменной форме. Максимальное количество фиксированного радионуклида оказалось в южном черноземе (31%), каштановой почве (30%), типичном черноземе (21%) (рис. 1). Вероятно, это связано с высоким содержанием в данных почвах кальция и гумуса, а также с преобладанием вторичных глинистых минералов, обусловливающих высокую емкость поглощения по сравнению с другими почвами.
Относительно мало фиксированного 90Sr в черноземе обыкновенном — 9%. Это можно объяснить отсутствием во взятом для анализе горизонте карбонатов кальция — образец не вскипал при взаимодействии с 10%-й HCl. Почти 19% связанного радиостронция — в дерново-подзолистой почве, что свя-
обменная водорастворимая
Рис. 1. Формы нахождения 90Sr в почвах: 1 — дерново-подзолистой песчаной, 2 — светло-серой лесной, 3 — черноземе обыкновенном, 4 — черноземе типичном, 5 — черноземе южном, 6 — каштановой, 7 — торфяной
зано, по всей видимости, с повышенным содержанием фосфора — 485 мг/100 г почвы. Наибольшее его количество содержится в черноземе типичном (56,7%) и черноземе обыкновенном (52,6%) (рис. 1). В этих почвах поведение радионуклида в основном определяется поведением обменных катионов и в первую очередь — ионом кальция. В торфяной почве почти половина (50,9% от содержащегося) радиоактивного стронция находится в подвижной форме, что позволяет предполагать высокую скорость его перехода в растения.
Распределение 90Бг по группам и фракциям гумусовых кислот. Присутствие в почве различных органических соединений, образующихся при разложении растительного опада, и биохимических процессов, протекающих в почве, также влияют на поглощение радионуклидов. Распределение и подвижность последних, как и обычных химических элементов, в значительной степени зависит от количественного и качественного состава гумуса.
Содержание 90Sr во фракциях органического вещества почв, % от внесенного
Почва ГК 1 ГК 2 ГК 3 ФК 1а + 1 ФК 2 ФК 3
Дерново-подзолистая песчаная 0,05 0,02 0,31 40,13 4,15 3,25
Светло-серая лесная 0,10 0,02 0,06 24,51 7,03 4,18
Чернозем обыкновенный 0,25 0,21 0,05 27,19 6,28 5,74
Чернозем типичный 0,05 0,37 0,02 31,15 6,22 5,26
Чернозем южный 0,10 0,24 0,15 34,48 5,19 4,89
Каштановая 0,06 0,05 0,09 35,11 4,02 6,49
Торфяная 0,52 0,32 0,05 37,62 4,64 3,39
Исследования показали, что основное количество 90Sr сорбируется преимущественно фульвокислота-ми (таблица). С гуминовыми кислотами он связывается менее интенсивно и в меньших количествах, не превышающих десятые доли процента от внесенного. Содержание радионуклида во фракциях гумино-вых кислот в почвах с низким содержанием гумуса намного меньше, чем в остальных.
При фракционном анализе фульвокислот (кислые растворы после отделения гуминовых кислот) обнаружено, что основная часть 90Sr присутствует во фракциях 1а и 1, представляющих собой свободные фуль-вокислоты и соединения фульвокислот с подвижными гидратами полуторных окислов, преимущественно алюминия, и полимерные комплексы фульвокислот с фракцией 1 гуминовых кислот. С фракцией 1а извлекается 90Sr, связанный с так называемыми «агрессивными» ФК. Однако основное его количество, по-видимому, не связано с органикой и переходит в декальци-нат с растворимыми неорганическими солями, а также вытесняется из внешних слоев коллоидных частиц почвенно-поглощающего комплекса (ППК).
В черноземе южном и типичном содержание радионуклида во фракции ФК 1 находится на уровне 30—35% от содержащегося в почве, а в светло-серой лесной и черноземе обыкновенном — 25 и 27% соответственно (таблица). Большое количество 908г в данной фракции объясняется не столько его связью с фульвокислотами, сколько тем, что в ней радионуклид находится в свободной и непрочно связанной с ППК форме.
С гуминовыми кислотами из почвы извлекается не более 1% радионуклида. Однако с фракцией ГК 2 дерново-подзолистой, серой лесной и каштановой почв извлекается практически в 10 раз меньше 908г, чем черноземов и низинной торфяной при тех же условиях эксперимента.
Факт преимущественного присутствия 908г в растворе фульвокислот по сравнению с гуминовыми подтверждается и другими исследователями [1, 2, 5]. Хотя подавляющее большинство из них допускают существование в почве органо-минеральных соединений этого радионуклида, в частности с фульво- и даже гуминовыми кислотами, следует обратить внимание на то, что применяемые методы фракционирования недостаточно мягкие и ведут к разрушению большей части органо-минеральных соединений [2]. Например, известно, что воздействие №ОН, используемого для предварительного растворения органического вещества, практически полностью разрушает присутствующие в почве органо-минеральные комплексы [6].
Содержание 90Бг в массово-молекулярных фракциях почв. Закономерности, выявленные при измерении содержания 908г во фракциях гумусовых и фульвокислот, выделенных методом Тюрина, подтверждаются и при использовании более современных методик. Метод гель-хроматографии позволяет разделить компоненты почвенных растворов и вытяжек по молекулярным массам; показана способность радиостронция связываться с низкомолекулярными составляющими органического вещества почв [1, 12].
В ходе проведенного нами эксперимента при помощи метода гель-хроматографии выделены фракции органического вещества с разными молекулярными массами. Хроматографирование проводили на геле марки Сефадекс 0-10. В качестве эталонных веществ использовали: глюкозу, М =180 г/моль; сахарозу, М = 342; раффинозу, М = 532; полиэтилен-гликоль, М = 1000 г/моль.
Таким образом, с некоторым приближением можно рассматривать следующие диапазоны молекулярных масс в выделенном органическом веществе (г/моль): 1000—500; 500—350; 350—180; < 180. В последнем диапазоне выделяются вещества явно неорганической природы.
Оказалось, что самое высокое содержание 908г во фракции 500—350 г/моль (рис. 2). Причем максимум радионуклида отмечается в торфяной почве — 51% от внесенного 908г; из автоморфных почв наиболь-
Рис. 2. Распределение 908г по массово-молекулярным фракциям
органического вещества (г/моль) в исследуемых почвах
шее количество — в черноземе типичном (49%), наименьшее — в дерново-подзолистой почве (31%). Эта высокомолекулярная фракция больше (24% от внесенного 908г) связана в черноземе типичном, а меньше (12%) — в дерново-подзолистой почве (рис. 2).
Более 50% 908г приходится на диапазон молекулярных масс 500—180 г/моль во всех почвах, что говорит о склонности радиостронция к образованию соединений с неспецифическими органическими веществами, такими, как карбоновые кислоты, полифенолы, аминокислоты, углеводы. Эти соединения имеют достаточно низкую молекулярную массу и могут активно мигрировать по почвенному профилю. На возможность взаимодействия 908г с низкомолекулярными, так называемыми неспецифическими, компонентами органического вещества почв обращают внимание и другие исследователи [1, 5, 7].
Выводы
Исходя из имеющихся в литературе данных и результатов проведенного опыта, можно сделать вывод о склонности 908г к образованию соединений с неспецифическими органическими веществами во всех исследуемых почвах. В меньшей степени радиостронций связан с неорганическими веществами в торфяной почве и почвах черноземного ряда, в этих же почвах наибольшее количество радионуклида, связанного с более высокомолекулярной фракцией, в которой могут присутствовать фульвокислоты.
Обобщая результаты гель-хроматографии, фракционирования по методу И.В. Тюрина и данные о формах нахождения 908г, можно сказать, что скорее всего в малогумусных почвах качественный состав органического вещества будет определять подвижность ра-
дионуклида. Закономерно предположить, что именно на почвах с низким содержанием гумуса, таких как дерново-подзолистые, светло-серые лесные, будут наиболее эффективны мероприятия по снижению перехода радиостронция в растения, направленные на увеличение общих запасов гумуса и оптимизацию его качественного состава. Также можно допустить,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агапкина Г.И. Органические формы соединений искусственных радионуклидов в почвенных растворах природных биогеоценозов // Радиационная биология. Радиобиология. 2002. Т. 42, № 4.
2. Водовозова И.Г., Погодин Р.И. Влияние органического вещества почвы на переход радиоактивных изотопов в растения // Радиоактивные изотопы в почвенных и пресноводных системах. Свердловск, 1981.
3. Иванов С.Н., Шагалова Э.Д., Шифрина С.С. Физико-химический режим 908г в дерново-подзолистых почвах Белоруссии // Почвоведение. 1976. № 12.
4. Илахун А., Карпухин АИ, Торшин С.П. Поступление радионуклидов в растения кукурузы с применением органических лигандов // Плодородие. 2008. № 4.
5. Котова А.Ю. Исследование механизмов сорбции и биологической доступности 908г, 106Яи, 137С8 и 144Се в почвах различных типов: Дис. ... канд. биол. наук. Обнинск, 1998.
6. Орлов Д. С, Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М., 1981.
7. Павлоцкая Ф.И. Миграция радиоактивных продуктов глобальных выпадений в почвах. М., 1974.
что в почвах, обогащенных органическим веществом (черноземы, торфяные), вероятнее всего, оно будет увеличивать подвижность 908г за счет связывания в подвижные комплексы. Основной фактор, ограничивающий подвижность радионуклида, — наличие конкурирующих катионов и анионов, с которыми он может образовывать труднорастворимые соединения.
8. Сапожников Ю.А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность окружающей среды. Теория и практика. М., 2010.
9. Фирсакова С.К., Тимофеев С.Ф., Шумилин В.А. и др. Накопление 90Sr полевыми культурами в условиях радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий // Радиационная биология. Радиоэкология. 2002. Т. 42, № 3.
10. Bachhuber H., Bunzl K, Schimmac K. The migration of Cs and Sr in multilayered soils: results from batch, column and fallout investigations // Nucl. Technol. 1982. Vol. 59, N 2.
11. Claus B, Grahmann B, Hormann V. et al. Sr-90 transfer factors for rye in podzolic soils: dependence on soil parameters // Radiat. Environ. Biophis. 1990. Vol. 29, N 3.
12. Datta S.K. de, Franklin F.L., Himes F.L. Partial characterization of soil polysaccharide strontium 90 — yttrium 90 complex // Soil Sci. 1967. Vol. 103, N 1.
13. Keren R, O'Connor G.A. Strontium adsorption by non-calcareous soils-exchangeable ions and solution composition effects // Soil Sci. 1983. Vol. 135, N 5.
14. Myasoedov B.F., Novikov A.P. Main sources of radioactive contamination in Russia and methods for their determination and speciation //J. Radioanal. Nucl. Chem., Articles. 1997. Vol. 229.
Поступила в редакцию 14.07.2011
CHEMICAL FORMS OF RADIOACTIVE STRONTIUM INTERACTION
WITH ORGANIC MATTER OF DIFFERENT SOIL TYPES
M.V. Fedorkova, E.P. Pakhnenko, N.I. Sanzharova
Under model experiment conditions mechanisms of chemical interaction of 90Sr with soil organic matter were investigated. Radionuclide was introduced in soil examples of main soil-types wide-spread on the european territory of Russian Federation. It was found, that from 40 to 60% of 90Sr extracted in exchangeable chemical form. Besides, fulvic acids (fractions I and Ia) absorbed significant amount of introduced radionuclide — 25—35%. It was shown, that 90Sr had a tendency to form chemical compounds with nonspecific organic matter with molecular weight from 180 to 500 g/mol, without reference to soil type. Essential part of radioactive strontium — 18—24% (from introduced 90Sr), which was associated with high-molecular compounds, was detected in chernozems, chestnut soil and peat soil. In soddy-podzolic soil and light-gray forest soil radionuclide was associated mostly (33—34%) with mineral compounds.
Key words: 90Sr, radionuclide, soil types, soil organic matter, molecular weight, chemical compound, chemical form, fulvic acids.
Сведения об авторах
Федоркова Мария Васильевна, науч. сотр. ВНИИ с.-х. радиологии и агроэкологии Россель-хоз академии. Обнинск. E-mail: [email protected]. Пахненко Екатерина Петровна, докт. биол. наук, профессор каф. агроинформатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-50-58. Санжарова Наталья Ивановна, чл.-кор. РАСХН, докт. биол. наук, профессор, зам. директора ВНИИ с.-х. радиологии и агроэкологии Россельхоз академии. Обнинск.
