ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2013, № 9, с. 1047-1059
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.41:631.453
БИОГЕОХИМИЯ ЖЕЛЕЗА В ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ПОЧВАХ
(АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)
© 2013 г. Ю. Н. Водяницкий, С. А. Шоба
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119234, Москва, Ленинские горы
е-таП: yu.vodyan@mail.ru Поступила в редакцию 10.12.2012 г.
Биологически индуцируемые превращения железа существенно меняют его геохимию в переувлажненных почвах. Под действием бактерий железоредукторов развивается деструкция гидроксидов железа и (или) Бе-филлосиликатов. Изменение микроорганизмами подвижности железа опосредованно действует на сопряженные с ней превращения кремния, углерода и других элементов. Биогенная редукция высокожелезистых филлосиликатов может приводить к их распаду, высвобождению кремния и образованию Зьглобул, иногда представленных тридимитом Р-$Ю2. В условиях низкого значения редокс-потенциала ЕЬ ощутимые размеры приобретает синтез биогенных Бе(11)-минералов в почве: магнетита и сидерита. При временном повышении редокс-потенциала ЕЬ в гид-роморфных почвах бактерии участвуют в синтезе наименее упорядоченных гидроксидов железа: ферригидрита и ферроксигита. Влияние ризосферы на окисление Бе2+ в переувлажненных почвах определяется как диффузией кислорода из корня и созданием очагов с высоким значением редокс-потенциала, так и участием Бе-окисляющих бактерий. В гидроморфных почвах ризосфера при сильном окислении почвы способна "цементироваться", образуя ферригидритсодержащие рорен-штейны, в которых накопленные тяжелые элементы инактивируются и выводятся из биологического круговорота.
Ключевые слова: биогеохимия, переувлажненные почвы, гидроксиды железа, Бе-филлосиликаты, ризосфера.
Б01: 10.7868/80032180X13090128
ВВЕДЕНИЕ
Влияние биологического фактора на геохимию элементов в почвах рассматривают с разных сторон. Микробиологи хорошо изучили влияние на мобилизацию и иммобилизацию элементов питания и токсикантов, как органических, так и неорганических. Другой аспект — влияние растений, особенно высших, на геохимию элементов в почвах. Этот аспект более сложный, так как ризосфера корней формируется не только за счет корневых выделений, но и за счет специфического пула микроорганизмов.
Для почвоведа-геохимика важно проследить геохимические следствия влияния биологических факторов на судьбу элементов в почве. Исследования микробиологов и физиологов растений публикуются главным образом в изданиях биологического профиля, которые не всегда привлекают внимание почвоведов. Между тем, биологи, работающие на стыке своих дисциплин с почвоведением, грунтоведением, ландшафтове-дением, достигли больших успехов. Часть их до-
стижений имеет прямое отношение к биогеохимии, как ее понимал В.И. Вернадский.
Число публикаций, относящихся к влиянию биологических факторов на геохимию разных элементов, поистине необозримо. Если среди химических элементов выделить металлы и металлоиды, то и о них обзор публикаций требует не журнальной статьи, а отдельной монографии. В настоящем обзоре мы сконцентрировались на одном важном элементе — железе. Железо — это ре-докс-чувствительный элемент с высоким кларком, и его превращения сильно сказываются на свойствах почвы: меняются сорбционная способность, агрегатное состояние, цвет и т. п. [3]. Соединения железа выступают как носитель обширной группы элементов-сидерофилов, среди которых мышьяк и ряд тяжелых металлов.
Предварительный анализ показал, что влияние биоты на геохимию железа сильно разнится в почвах с разным водно-воздушным режимом. При этом биологическое влияние на железо в ав-томорфных почвах гораздо более разнообразно, а итоговое действие менее предсказуемо, чем влияние в гидроморфных почвах. Здесь действуют
мощные факторы, контролирующие суммарное влияние биоты на железо. Поэтому в настоящем обзоре мы ограничились анализом биогеохимии железа в переувлажненных почвах.
Судьба железа в переувлажненных почвах определяется возможностью его восстановления. Для этого нужны следующие предпосылки. Во-первых, само Ре(Ш) должны быть сосредоточено в доступных для редукции соединениях. Во-вторых, поскольку процесс редукции эндотермический, требуется источник энергии: легкоокисляе-мое органическое вещество. В-третьих, нужны железоредукторы, их функции выполняют как органические (реже — минеральные) соединения, так и микроорганизмы. В переувлажненных почвах под влиянием бактерий органическое вещество сбраживается, в результате чего образуются различные низкомолекулярные органические соединения, действующие на Ре(Ш) как ре-дуктанты.
В восстановлении Ре(111)-минералов участвуют также бактерии-редуктанты [2, 13, 68]. Первые бактерии, способные использовать энергию окисления органического вещества при восстановлении Ре(Ш) для поддержания роста, так называемые "диссимиляционные железовосстанав-ливающие бактерии" описаны в 80-х годах ХХ столетия [33, 67, 89]. Среди них наиболее изучены представители родов ОеоЬас1ег и 8Нем>апе11а, их широко используют при моделировании энзи-матического восстановления металлов. Большинство диссимиляционных железовосстанав-ливающих бактерий выделены из гидроморфных почв и водонасыщенных осадочных пород [38].
Редукция Ре(Ш) невозможна без потребления энергии, то есть без участия органического вещества. Микробиологи, изучающие биологическое восстановление (гидр)оксидов железа, подразделяют функции органического вещества на две: 1 — органическое вещество как источник энергии, то есть как поставщик электронов; переувлажнение поверхностных горизонтов вызывает значительную трансформацию и потерю органического вещества почвы [8]; 2 — органическое вещество как электронный челнок, переносчик электронов от Ре-редуцирующих бактерий к Ре(Ш). В отличие от органического вещества первой группы, электронный челнок в процессе редукции Ре(Ш) не расходуется [68].
Цель обзора: охарактеризовать современное состояние исследований биогеохимии железа в переувлажненных почвах.
Ниже мы рассмотрим несколько аспектов проблемы: биогенную редукцию Ре(Ш), взаимосвязь биогеохимии железа и кремния, железа и углерода в почвах, синтез биогенных частиц Ре(11)-ми-нералов, а также бактериальное и ризосферное окисление Ре(11). Биологическое действие на гео-
химию железа по-разному проявляется в почвах с разным уровнем оксидогенеза. В почвах лесной и степной зон содержание силикатного железа доминирует, его больше 50% от валового содержания. По содержанию (гидр)оксидов железа почвы делят на две группы. При содержании (гидр)ок-сидов железа >20—30% в почвах оксидогенез считается развитым, а при их количестве <5—10% — неразвитым [2, 3]. В этих почвах биогенная редукция железа захватывает разные Ре(111)-минералы. В результате в почвах с развитым оксидогенезом редукции повергаются преимущественно оксиды железа, а в почвах с неразвитым оксидогенезом — преимущественно Ре(111)-филлосиликаты.
БИОГЕННАЯ РЕДУКЦИЯ (ГИДР)ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА В ПОЧВАХ С РАЗВИТЫМ ОКСИДОГЕНЕЗОМ
В почвах с развитым оксидогенезом редуцируются в основном (гидр)оксиды железа, что сильно меняет как морфологию, так и свойства почв. Переувлажнение изменяет самые различные свойства почв, часто в неблагоприятную сторону. Ухудшается газовый режим почв: уменьшается содержание кислорода. Увеличивается содержание углекислого газа, сероводорода. Уменьшается значение редокс-потенциала ЕЙ. Накапливаются до токсического уровня органические и неорганические соединения, включая железо и марганец. Увеличиваются дисперсность почв, липкость, твердость; ухудшается структура и водопроницаемость. Теряется гумус, оставшийся становится более фульватным [18]. Некоторые из этих изменений обязаны биогеохимическим процессам с (гидр)ок-сидами железа.
Микробиологи изучают особенности биологического восстановления различных (гидр)окси-дов железа, используя бактерии родов Shewanella и ОеоЬас1ег, осуществляющих дыхание за счет Ре(Ш). Это дает возможность в контролируемых условиях среды выявить зависимость восстановления от различных свойств частиц (гидр)окси-дов железа. Для сравнения применяют абиотическое восстановление (гидр)оксидов железа, например, с использованием аскарбата.
Влияние различных свойств (гидр)оксидов железа на скорость химической или биологической редукции показано в работе Родена [83]. Начальная скорость химически катализируемой редукции разных оксидов железа, нормированная по удельной поверхности (гидр)оксидов железа при рН 3 варьирует очень значительно (более, чем на 3 порядка). Наблюдается вполне ожидаемая с точки зрения термодинамики закономерность. Скорость восстановления Ре(Ш) в составе высоко упорядоченных минералов значительно меньше, чем в случае низко упорядоченных гид-роксидов: ферригидрита и лепидокрокита. На-
против, скорость бактериального восстановления разных (гидр)оксидов железа гораздо более однородная. Статистически значимой разницы между скоростью биогенной редукции, нормированной на удельную поверхность, для таких минералов, как аморфная гидроокись Бе(ОН)3, лепидокро-кит уБеООН, гетит аБеООН и гематит аБе203, различающихся типом строения кристаллической решетки, нет.
Термодинамические константы не объясняют все особенности растворения разных типов (гидр)оксидов железа в почвах. В частности, остается неясной причина часто наблюдаемого в почвах предпочтительного растворения гематита, а не гетита. Объяснить это разной степенью замещения Бе на А1 в минералах не всегда можно. Между тем, биологические опыты позволяют более убедительно объяснить различие в растворимости Ре(Ш)-минералов. Имеет значение форма частиц (гидр)оксидов: с клетками бактерий лучше контактируют гексагональные частицы гематита, чем игольчатые частицы гетита [102].
Найдена строгая линейная зависимость (г2 = = 0.95) между скоростью бактериального восстановления (гидр)оксидов железа и их удельной поверхностью [82]. Количество перенесенных электронов, нормированных по удельной поверхности, постоянно [83]. Вероятно, диссимиляционные же-лезоредуцирующие бактерии не "различают" поверхности различных оксидов железа.
Потеря железа — это главный результат биологического воздействия на (гидр)оксиды
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.