Содержание к диссертации
Введение
1. Основные представления о маіні'ггноупордцоченньк соединениях железа почв
1.1. Магнитные свойства почв. Основные закономерности .6
1.2. Роль микроорганизмов в синтезе железистых минералов почвы 24
2. Объекты и методы исследования
2.1. Объекты исследования 34
2.2. Методы исследования
2.2.1. Ядерный гамма-резонанс 35
2.2.2. Измерения магнитной восприимчивости 41
2.2.3. Электронный парамагнитный резонанс и рентгеновская дифрактометрия 43
2.2.4. Микроскопия 46
2.2.5. Методика получения магнитной фракции 47
2.2.6. Микробиологические методы 49
3. Роль бактерии в фондировании машитноупорщоченных соединений железа шусошх горизонтов . 53
3.1. Выделение микроорганизмов, обладающих магнитотаксисом 54
3.2. Образование высокодисперсных окристаллизованных форм железа бактериями торфяной почвы
3.2.1. Морфология бактериальных культур 62
3.2.2. Магнитные свойства культур 64
3.2.3. ЭПР-спектры бактерии 66
3.2.4. ЯГР-спектры бактериальных препаратов 68
3.3. Магнитные свойства чистых бактериальных культур .69
4. Минералы
4.1. Магнитные измерения и мессбауэровская спектроскопия почв
4.1.1. Магнитная восприимчивость органогенных и минеральных горизонтов почв 77
4.1.2. Магнитная восприимчивость фракций механических элементов выщелоченного чернозема и темно-каштановой почвы 84
4.1.3. ЯГР спектроскопия органических и минеральных горизонтов почв и фракций механических элементов из них 86
4.2. Идентификация сильномагнитного минерала
4.2.1. Магнитное обогащение образцов почв 94
4.2.2. Магнитные измерения магнитной фракции 95
4.2.3. ЯГР спектроскопия и рентгеновская дифракто-метрия магнитной фракции 97
4.3. Микроморфология сильномагнитной фракции
4.3.1. Результаты световой микроскопии 99
4.3.2. Растровая микроскопия и микрозондовый анализ частиц магнитной фракции 101
4.3.3. Характеристика сферических магнитных частиц почв различных географических пунктов 108
4.4. Возможные пути образования частиц сильномагнитной фракции
Выводы
Литература
- Роль микроорганизмов в синтезе железистых минералов почвы
- Электронный парамагнитный резонанс и рентгеновская дифрактометрия
- Образование высокодисперсных окристаллизованных форм железа бактериями торфяной почвы
- Магнитная восприимчивость фракций механических элементов выщелоченного чернозема и темно-каштановой почвы
Введение к работе
Соединения железа являются одним из главных компонентов почвы как в силу своей распространенности (5,1% от веса земной коры [38]), так и из-за особых свойств. К этим особым свойствам относят его переменную валентность и, в зависимости от валентности, переменную подвижность [66,109]; способность образовывать комплексные соединения с органическим веществом и снижать необратимое связывание фосфора [бб]; участие несиликатных форм железа в структурообразовании [53,115]; способность при смене окислительно-восстановительных условий выпадать в виде различных новообразований [67]. Эти свойства железа обусловили его диагностическую роль в почвоведении [бб] и пристальный интерес к его изучению. Однако, многокомпонентный состав почвы, сравнительно небольшие количества железа в большинстве почв, его мелкодисперсность [66,73] вызывают значительные трудности при идентификации форм соединений железа такими методами как рентгеновская дифрактометрия, дифференциально-термический анализ и др. [74,77]. Поиски новых, более тонких и чувствительных методов исследования соединений железа заставили обратиться к его магнитным свойствам. Новое направление исследований оказалось плодотворным; было обнаружено, что одна из магнитных характеристик почв - магнитная восприимчивость - может служить индикатором ряда элементарных почвенных процессов [26,13]. Ответственными за высокую магнитную восприимчивость гумусовых горизонтов почв являются сильные ферромагнетики, но выводы разных авторов о том, какие именно, расходятся [11,12,29,32,40,43,95,144,
4 147,138,154]. Много неясностей и в вопросе образования сильных магнетиков в почвенных условиях. Отдельные гипотезы либо не охватывают всего разнообразия условий [49,138], либо еще не до конца разработаны [її]. При построении моделей образования сильных магнетиков почвы практически не учитывалась живая фаза почвы, хотя ее роль в этом процессе может быть довольно значительна. Установлено, что некоторые организмы способны накапливать железо даже в сильномагнитной форме [47,123 131-134,142,148]. Но большинство соединений железа бактериального происхождения изучено еще очень слабо из-за их мелкодисперсности и низкого содержания в клетке.
Целью настоящей работы было изучение происхождения сильномагнитных минералов гумусовых горизонтов автоморфных почв. В задачу исследований входило:
идентификация минералов, ответственных за повышение магнитной восприимчивости гумусовых горизонтов;
выяснение роли биогенного фактора в образовании магнитных минералов.
Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МТУ и на кафедре физики Ярославского политехнического института.
Считаю своим долгом выразить благодарность коллективам этих кафедр и особенно сотрудникам лаборатории Физики Твердого Тела ЯПИ за дружескую атмосферу и неизменную готовность помочь. Я глубоко благодарна моим неофициальным руководителям и инициаторам этой работы В.Ф.Бабанину и Н.В.Верховцевой за постоянное внимание и неоценимую помощь в экспериментах. Выражаю искреннюю признательность профессору А.Д.Воронину за благожелательную
поддержку работы, С.А.Шобе и И.А.Куткину за сотрудничество в ми-микроморфогических исследованиях. Я также хочу поблагодарить В.В.Морозова, С.В.Васильева и А.В.Иванова за помощь в интерпретации данных физических методов.
Роль микроорганизмов в синтезе железистых минералов почвы
Микроорганизмы представляют собой группу с почти универсальными геохимическими функциями [7,76]. Они принимают участие во всех звеньях круговорота веществ, начиная с автотрофной фиксации COQ И связывания азота и кончая полной минерализацией разнообразных органических и минеральных соединений. Роль микроорганизмов в обеспечении других компонентов экосистемы минеральной пищей исключительна. Этот процесс по своему значению для биосферы сравним с фотосинтезом и фиксацией молекулярного азота [8]. Кроме этой, основной роли, микроорганизмы способны и к синтезу минералов, в том числе и железистых [9]. Бактерии, использующие энергию окисления е в Fe + на усвоение углекислоты в процессе хемосинтеза, были названы Виноградским железобактериями [54]. Однако, были также обнаружены бактерии, откладывающие железо на поверхности клеток, но не извлекающие энергию из этого процесса и являющиеся гетеротрофами [70]. Таким образом, оказалось, что группа бактерий, участвующих тем или иным образом в трансформации железистых соединений, оказалась разнородной в физиологическом и систематическом отношении [54]. В связи с этим долгое время не было единого мнения, какие же организмы причислять к железобактериям. В настоящее время большинство исследователей считает, что к железобактериям относятся микроорганизмы, принимающие участие в осаждении окислов железа и марганца, независимо от того, извлекают ли организмы энергию из этого процесса или нет.
Работами Г.А.Дубининой окончательно установлено, что абсолютное большинство известных видов железобактерий являются ге-теротрофами, то есть окисление железа и марганца не служит для них источником энергии и является лишь побочной реакцией [58,59]. Так, у типичных пресноводных бактерий, обитающих в среде с нейтральной и слабощелочной реакцией ( Leptothrix, Metallogenium, Arthrobacter ) окисление железа и марганца связано с детокси-кацией перекиси водорода, выделяющейся в процессе метаболизма при окислении органических веществ [57,58]. Отложение окислов металлов на поверхности клеточных структур, в капсулах и чехлах происходит в результате взаимодействия перекиси водорода с ионами металлов непосредственно или при участии каталазы. Эта функция бактерий проявляется в специфических экологических условиях.
Окисление железа в кислой среде происходит с участием об-лигатно-ацидофильных хемолитоавтотрофных бактерий Thioba -cillus ferrooxidans, Lepthospirillum ferrooxidans [18,20,62, 72], процесс окисления железа идет за счет кислорода воздуха с выделением энергии, которая используется в форме АТФ для фиксации COQ. Подобной физиологией обладает также новый термофильный организм, выделенный Браерли [135]. Местообитание этих организмов ограничено подземными водами сульфидных месторождений, кислыми водами железорудных источников и пиритизированных торфяников [54].
Исторически сложилось так, что железобактерий изучали главным образом в водной среде - железистых ручьях, реках, озерах, болотах [39,44,118,149]. Систематические исследования железобактерий в почвах были начаты работами Т.В.Аристовской [2-4]. В v почвах гумидной зоны при нейтральной реакции среды окисление железа протекает под действием описанной выше группы организмов - гетеротрофов, у которых отложение железа и марганца на клетках является защитным механизмом [18]. Наиболее распространенными в этой группе являются представители родов Metallo -genium [23,24], Gallionella [19]и Arthrobacter [67,73]. Гетеротрофом является также и Seiiberia steilata _ стебельковая бактерия, разлагающая железогумусовые соединения почвы без изменения валентного состояния входящего в них железа [4,8]. Разложение органо-минеральных комплексов с одновременным осаждением окисного железа осуществляется Ppdoraicrobium. Для двух последних бактериальных форм, по мнению Т.В.Аристовской, отложение железа на поверхности клеток является побочным следствием минерализации органических веществ. Несмотря на то, что окисление железа для Pedomicrobium не имеет, по-видимому, физиологического значения, роль этого вида в аккумуляции трехвалентного железа в почвах, особенно в гумидных районах, велика.
Электронный парамагнитный резонанс и рентгеновская дифрактометрия
Эксперимент позволяет получить информацию трех типов. 1. Qf -фактор (положение спектра). Это экспериментально определя емый параметр, дающий информацию о строении молекулы иона, крис талла. Характерные значения для } -фактора у органических и не органических радикалов позволяют проводить идентификацию этих частиц. У ионов переходных элементов дает сведения о строе нии лигандного окружения, об ориентации парамагнитных частиц. Вычисление g -фактора осуществляется по отношению к стандарту, 9 -фактор которого отличается от -фактора исследуемого вещества (дифенилпикрилгидразин-ДФПГ, Мп в матрице окиси магния). 2. Сверхтонкая структура. Как правило, спектр ЭПР почвенных объектов не содержит сверхтонкой структуры, поэтому мы этот вопрос затрагивать не будем. 3. Интенсивность спектральных линий (площадь под контуром линии) позволяет рассчитать количество парамагнитных частиц в составе вещества. Расчет ведется относительно стандарта по известным формулам [361. ..
Съемку спектров ЭПР проводили на спектрометре РЭ-1301. Высушенные культуры бактерий помещали в кварцевые ампулы, масса образца составляла от 10 до 30 мг. Расчет у -фактора осуществляли по разработанным методикам [36]. В качестве стандарта использовали Мп в матрице М О и дифенилпикрилгидразин (ДШГ).
Для идентификации соединений железа и оценки размеров кристаллитов окристаллизованных соединений использовали рентге новскую дифрактометрию. Съемку проводили на рентгеновском диф-рактометре ДРШ-УМ-І, управляемом машиной Искра-256, при напряжении на рентгеновской трубке 40 кВ и токе 20 А на излучении Со - Кос с фильтром из железа. Препарат наносили на покровное стекло в виде порошка, который удерживался на стекле с помощью аморфного полимерного клея. Поверхность образца устанавливали в один уровень с краями кюветы, в которой вели съемку. Интерпретацию данных съемки осуществляли в лаборатории ФТТ ЯПИ по существующим методикам [77].
Микроскопические исследования магнитной фракции выполнены в лаборатории ФТТ Ярославского политехнического института на металлографическом микроскопе NEOPHOT _2І. Фотоснимки сделаны И.А.Куткиным. Подготовка образцов магнитной фракции для ми-кроскопирования заключалась в многократных отмывках, методика которых описана в разделе 2.2.5. Магнитная фракция была изучена и с помощью растрового микроскопа фирмы HITACHI с приставкой для микрозондового анализа KEVEX -5000 в лаборатории электронной микроскопии почвенного стационара факультета почвоведения МТУ. Снимки сделаны С.А.Шобой. Подготовку образцов к съемке осуществляли по методике [56,116].
Микроскопирование живых и фиксированных препаратов бактерий проводили на микроскопе MPI - 5 в соответствии с методиками, принятыми в микробиологии [106,103]. Для выявления Ее в составе бактерий использовали - дипиридил, а для 3?е . железисто-цианистый калий [8]. Для изучения реакции бактерий на магнитное поле к столику того же микроскопа прикрепляли магнит со специально изготовленными наконечниками. Между полюсами магнита помещали предметное стекло с живым бактериальным препаратом "раздавленная капля" или "висячая капля". Предварительно бактерии окрашивали прижизненным красителем - нейтральным красным. Электронно-микроскопические исследования бактерий проведены в лаборатории электронной микроскопии НИИМСК на микроскопе ЭМ-100 Н.Б.Криулиной. Подготовка бактериальных препаратов к ми-кроскопированию включала следующие этапы: в пробирку с 5 мл стерильной дистиллированной воды вносили I петлю бактериальной культуры и встряхивали 2-3 мин. Приготовленную таким образом суспензию наносили на сеточку с коллодиевой подложкой и высушивали. Окрашивания, напыления не делали.
Обогащение образцов почв сильномагнитной фракцией проводили как из илистой фракции, так и из почвы в целом. Для этой цели образцы диспергировали и разделяли на фракции по методу Н.А.Качинского [27]. Фракции, слитые из цилиндра, в котором проводили разделение, не высушивали, а пропускали через установку для сепарации. Установка состоит из электромагнита с полюсными наконечниками, разъемной каглеры с полиэтиленовыми боковыми стенками, которые вплотную прилегают к наконечникам магнита; из двух резервуаров - верхнего и нижнего, соединенных с камерой резиновыми шлангами и двух кранов - выше и ниже камеры.
Образование высокодисперсных окристаллизованных форм железа бактериями торфяной почвы
Отсутствие магнитотаксиса у выделенных из различных почв бактерий не исключает возможности включения в их клетку других, менее магнитных соединений железа. Такая возможность отмечалась многими авторами [85,86,124,125,128-130,I58J. Поэтому нами была предпринята попытка выявить и изучить возможные железистые включения с помощью микроскопии совместно с физическими методами. Среди бактериальных колоний, выделенных из торфяной почвы во время опытов по магнитотаксису, были отобраны пять типов: I) пленки охристого цвета; 2) мелкие округлые колонии диаметром 3-4 мм, которые на второй - третий день начинают приобретать бурый цвет; 3) круглые точечные колонии с бурым центром; 4) колонии диаметром от 3 до 30 мм, имеющие вначале бежевый цвет, центр которых темнеет и затем становится бурым; 5) охристо-коричневые сливающиеся колонии неправильной формы. Возраст всех колоний составлял 3 недели. Для получения чистых культур колонии были пересеяны штрихом на скошенные столбики МПА:2 с цитратом железа. Характер роста на скошенном агаре и результаты микроскопии указывали на чистоту культур. После 3-х недель инкубирования при 24С культуры К,3и 4 на косяках не сколько отличались от исходных по цвету - их бурая и бежевая окраска стала менее заметной; культуры Ш1 и 5 имели тот же цвет, что и исходные. 3-х недельные культуры были исследованы на электронном микроскопе.
Электронная микроскопия показала, что большинство выбранных культур, как правило, неоднородны по своей морфологии с преобладанием того или иного вида клеток. Клетки ряда культур содержали электронно-плотные включения. В культуре ЖЕ преобладали клетки в слизистой капсуле, выглядевшие на снимках почти черными (0,5X0,3). Кроме них встречались палочки со спорами на обеих концах клетки.
Культура JB2 представлена крупными "пятнистыми" палочками, сильно различающимися по размеру (1,5-3,0 х 0,7-1,0 мкм). Из электронных фотографий не ясно, являются ли темные пятна включениями или это уплотнившиеся перед спорообразованием участки клеточной массы. В культуре встречаются и полностью темные клетки. Культура Ш представлена кокками диаметром чуть более I мкм и палочками, содержащими электронно-плотные включения (2,0х0,6мкм). В культуре М встречаются как полупрозрачные укороченные палочки (1,0-1,2x0,6-1,0 мкм) с группой темных включении (часто слитых) на одном из концов клетки (размер включений до 0,3 мкм), так и совершенно темные клетки того же размера. Культура 1Й5 темные клетки в виде подков, а также палочки с хорошо видимыми центральными и терминальными спорами.
В дальнейшем культуры были еще дважды пересеяны на скошенные столбики МПА с цитратом железа. Нами отмечено отсутствие интенсивного окрашивания на скошенном агаре у всех культур; все культуры приобрели желтовато-кремовый оттенок.
Для выяснения природы электронно-плотных участков в клетках бактерий была накоплена биомасса всех культур на плотной среде с цитратом железа в чашках Петри. Бактерии были отмыты от среды центрифугированием, высушены, после чего проводились магнитные измерения. Так как масса высушенных препаратов была невелика (менее 40 мг), то для уменьшения ошибки измерения магнитной восприимчивости проводили при больших значениях магнитного поля (В). При В=0,15 Тл значения % бактериальных культур составляли от 2,1-Ю"6 до 4,9»10 6СГСМ, что указывает на их парамагнетизм. При больших полях значения пС культур J52 и 3 переходили в отрицательную область, что характерно для диамагне-тиков (Рис.4). Изучение полевой зависимости ОС (В) культур бактерий и их смеси показало, что характерной особенностью кривых
Магнитная восприимчивость фракций механических элементов выщелоченного чернозема и темно-каштановой почвы
Высокие значения х органогенных горизонтов при низких значениях восприимчивости минеральных свидетельствуют о процессах накопления сильномагнитных минералов в верхней части профиля [11,138]. Особенно богата вторичными, новообразованными минералами илистая фракция. Поэтому для идентификации ферромагнетиков гумусовых горизонтов были исследованы различные фракции механических элементов выщелоченного чернозема и темно-каштановой почвы. Наибольшие значения магнитной восприимчивости отмечались ранее в илистой фракции [78], и иногда во фракции крупной пыли [95]. По нашим данным илистая фракция исследованных гумусовых горизонтов почв также имеет наибольшую %- среди остальных фракций и почвы вцелом.(табл.5). Характер спада кривых полевой зависимости сходен у всех фракций по каждой почве, графики отличаются, главным образом, абсолютными величинами восприимчивости (рис.11, рис.12). По значениям все фракции можно расположить в следующий ряд:В темно-каштановой почве (рис.12) кривые зависимости - (В) илистой фракции, мелкой и средней пыли практически параллельны, что опять-таки указывает на однотипность их магнитных минералов. То же самое можно сказать обо всех фракциях верхнего горизонта выщелоченного чернозема (рис.11). Несколько меньше крутизна кривой -X (В) крупной пыли темно-каштановой почвы. Из полученных результатов можно заключить, что ферромагнетики присутствуют во всех фракциях механических элементов, в наибольшем количестве в илистой, в наименьшем - во фракции крупной пыли. Низкие значения - фракций горизонтов Ст выщелоченного чернозема и ССй SA темно-каштановой почвы и выровненный ход кривых зависимости -зс(В) позволяет заключить, что соединения железа этих гориз онт ов парамагнитны.
Таким образом, магнитные измерения показали, что илистая фракция богаче ферромагнетиками по сравнению с более крупными фракциями. Однако, если считать, что весь вклад в магнетизм почв вносит илистая фракция, то расчет не дает наблюдаемых зна почвы чений восприимчивости вцелом. Это может быть обусловлено тем, что носитель высокой восприимчивости находится и в более крупных фракциях, не подвергавшихся анализу.
Мессбауэровская спектроскопия несет информацию, дополняющую данные магнитных измерений. Спектры органогенных горизонтов различных почв имеют сходный вид, типичные показаны на рис.13.
Спектры представляют собой сумму вкладов от Ре + и Ре . с дублетной формой линии. Такая форма характерна для парамагнитных форм соединений железа, а также для высокодисперсных свободных форм Ре в суперпарамагнитном состоянии с размером частиц менее 20 нм. Параметры дублетов и анализ вклада Ре показал, что железо находится, в основном, в октаэдрических позициях слоис-тых силикатов. Вклад в дублет Ре г дает железо, также входящее в октаэдрические позиции слоистых силикатов и, кроме того, свободные формы железа в окисном и гвдроокисном состоянии. Все эти форш соединений железа парамагнитны при комнатной температуре и дают вклад в магнитную восприимчивость почв, не зависящий от величины магнитного поля. Сильномагнитные соединения железа, обнаруженные магнитными измерениями, на спектрах не выявляются. Вероятно, их количество лежит за пределами чувствительности метода, то есть их содержание в образце менее 2-3% от валового содержания железа.
Сравнение спектров верхних горизонтов дерново-подзолистой, серой лесной, темно-каштановой почв и типичного чернозема, приведенных к одному масштабу (рис.13), позволяет заключить следующее. Площадь под кривой, отражающая общее содержание железа в образце, наибольшая у Ад темно-каштановой почвы и последовательно уменьшается от чернозема к серой лесной и дерново-подзолис-той почвам. Количество Ре и Ре +, определяемое по интенсивности дублетов, также.уменьшается от темно-каштановой к дерново-подзолистой почве. Изменение интенсивности и формы линий дублетов указывают на различные соотношения парамагнитных форм железа, которые без дополнительной обработки на ЭВМ не идентифицируются.
