Изотопные вариации углерода органического вещества и карбонатов донных осадков и микробных матов минеральных озер Забайкальского края

Дамбаев В. Б., Давыдова Т. В. Изотопные вариации углерода органического вещества и карбонатов донных осадков и микробных матов минеральных озер Забайкальского края // Природа Внутренней Азии. Nature of Inner Asia. 2023. № 3(25). С. 40–48.

Объекты и методы

Исследования проводились на минеральных озерах Хилганта, Зун-Торей и Доронинское, которые находятся на территории Забайкальского края. Суточные перепады температуры и сезонные изменения, характерные для данного региона, вызывают изменения физико-химических и гидрохимических условий обитания микробных сообществ в этих озерах [Сыренжапова, Намсараев, Абидуева, 2010].

В моменты отбора проб проводили измерение температуры озерных вод, рН и степени минерализации вод (табл. 1). Для измерения температуры воды и рН применяли портативный рН-метр со встроенным термометром (HANNA), минерализации воды — портативный тестер-кондуктометр TDS-4 (Сингапур).

Содержание органического вещества и карбонатов (d13С) определяли на масс-спектрометре BreathMAT plus (Finnigan (ИБФМ РАН, г. Пущино). Характеристики изотопного состава углерода анализируемых образцов представляли в виде величин δ13С (‰), которые рассчитывали согласно выражению:

δ13Собр= ((Rобр/Rст)-1) × 1000 (‰), где Rобр и Rст — отношения распространенностей изотопов углерода [13С]/[12С] в образце и стандарте PDB (белемнит из формации PD), соответственно [Slater, Preston, Weaver, 2001]. Знак «+» означает, что образец более обогащен тяжелым изотопом, чем стандарт, знак «-» — обеднен. Стандартная ошибка измерений изотопных характеристик ±0,2 ‰.

Таблица 1

Физико-химическая характеристика исследованных минеральных озер

Название озера	Местоположение	рН	Минерализация, г/л	Тº, С воды
Хилганта	50º42′53 ” с. ш. 115º06′086 ” в. д.	8,43–9,47	43–170	+7,4 – +28,5
Зун-Торей	50º9′48.04 ” с. ш. 115º48′43.26 ” в. д.	9,46–9,53	7	+21,4
Доронинское	51º25′ с. ш. 112º28′ в. д.	9,89	24-26	+12,6

Результаты

Изотопный состав углерода (d13С) донных осадков минеральных озер и прибрежных солончаков

В центре озера Хилганта донные осадки имеют пониженное значение d13Сорг от -30,63 до -24,30 ‰ (рис. 1). Поверхностные осадки озера характеризуют изотопный состав углерода, присущий для водной и прибрежной растительности. Углерод карбонатов δ 13Скарб составляет от -8,65 до -12,28 ‰. Органическое вещество подвергается глубокой анаэробной деструкции. Содержание органического вещества по слоям донных осадков варьирует от 60,16 до 2,26 %. Максимальное и минимальное значение карбонатов было 34,55 и 0,36 % (рис. 2).

Рис. 1. Изотопный состав углерода, карбонатов и органического вещества в донных осадках озера Хилганта

Рис. 2. Содержание карбонатов и органического вещества в донных осадках оз. Хилганта

Характерной чертой сухостепных территорий является распространение солончаков, приуроченных к бессточным понижениям, занятых минеральными озерами. Проведенные исследования в приозерном солончаке (Khil), расположенном в притеррасной части озера Хилганта, выявили высокое содержание органического вещества в верхних почвенных горизонтах (8–20 см). Максимальное значение органического вещества в поверхностных горизонтах составляло 11,3 %, вниз по профилю почвы происходило уменьшение до 5,2 % (рис. 3). Это связано с тем, что подземная часть растений имеет более мощную корневую систему.

Углерод органического вещества δ13С в корнеобитаемом горизонте равен -29,0‰, что схоже с типом С3-растительности. Вниз по почвенному горизонту происходит обогащение 13С на 1–2 ‰ как результат минерализации органического вещества гетеротрофными микроорганизмами. От верхних к нижним слоям почвенного профиля замечено облегчение содержания углерода карбонатов δ13С почв от -12,40 до -13,31 ‰, соответственно (рис. 4).

В почвах органическое вещество незначительно обогащено в 13С (1–3 ‰) вниз по почвенному профилю. Радиоуглеродный возраст почвенного органического вещества с глубиной по профилю почвы определен деятельностью микроорганизмов в течение деструкции органического вещества, и они являются ответственными за увеличение значения 13С с глубиной.

Рис. 3. Содержание карбонатов и           Рис. 4. Изотопный состав углерода органического вещества в почвах         карбонатов и органического вещества солончака Khill                        в почвах солончака Khill

Углерод фитомассы с С₃-типом фотосинтеза и соответственно С_орг почв имеют δ¹³С в пределах -22...-30 ‰, С₄-растений и почв — в пределах -10...-14 ‰. Углерод педогенных карбонатов обогащен δ¹³С на 14 ...17 ‰. Поэтому под «чистой» С₃- и С₄-растительностью δ¹³С_карб близка к -8 и +4 промилей соответственно [Рысков, Цыбжитов, Цыбикдоржиев и др., 2001]. В регионах с засушливым холодным климатом доля С₄-растений, которые фиксируют СО₂ по 4-углеродному циклу, возрастает [Nordt, Wilding, Drees, 2000]. Рысков и др. (2001) показали, что в Забайкалье педогенные (от -10 до 0 ‰) составляющие почвенных карбонатов преобладают над литогенными (-2 …+2 ‰). δ¹³С_орг каштановых и черноземных почв составляет -28...-29 ‰, δ¹³С_карб -8...-9 ‰. Растительность солончаков представлена сведо-рожконосным сообществом. Травостой сравнительно равномерный, красноватый. Ветоши немного, высота травостоя в основном составляет 17–20 см, высота редких побегов Achnatherum splendens может достигать 90 см. Проективное покрытие составляет 70–80 %. Количество видов на 1 м² — 5–7. Галофиты ( Knorringia sibir-ica, Suaeda corniculata, Artemisia anethifolia, Achnatherum splendens ) представлены в сведорожконосном сообществе.

Изотопный состав углерода (d13С) микробных матов минеральных озер

Основной вклад в образование органического вещества микробных матов вносят цианобактерии [Цыренова, Брянская, Козырева и др., 2011]. Углекислота потребляется цианобактериями из растворенного состояния в виде гидрокарбоната или самой углекислоты. Внешним фактором, оказывающим влияние на фракционирование изотопов углерода, является концентрация углекислоты в воде.

Значение рН среды, концентрация солей и температура выступают как факторы, от которых зависит растворимость СО2 в воде [Зякун и др., 1994].

Изотопный состав d13Сорг микробных матов минеральных озер Зун-Торей и Доронинское равен -27,89...-34,04 ‰, d13Скарб — в пределах -5,77...-11,70 ‰ (табл. 2).

Таблица 2

Содержание и изотопный состав углерода микробных матов Забайкальского края

Название	g"l cd О T ю о Рн Щ >^ d q ^ 22 m S % cd Щ   щ cd m cd Рн Щ 5 = U m	Cd s s 2 д m xo cd а и s § Ё Щ Ь Q cd S ' щ О РОЩ I а о S « m	d 13 С , карб в ‰	o^ Б ” ? pq 2 2 ® о ” S i Sy” U S	2 CQ o s Щ 5 cd ,-Q I ® О 5 ” U pq О	d13С ОВ, в ‰
Озеро Хилганта
Мат	51,4	3,130	-8,21	53,06	3,232	-27,75
Озеро Зун-Торей
Песчаный мат	2,4	0,146	-9,20	0,36	0,021	-27,90
Песчаный мат 0,2–0,5 см	1,05	0,063	-11,70	0,60	0,036	-29,47
Песчаный мат 0,5–1 см	1,1	0,067	-7,43	0,54	0,032	-29,75
Песчаный мат 1–1,5 см	1,2	0,073	-7,34	0,24	0,014	-29,23
Песчаный мат 3–5 см	1,15	0,070	-5,77	0,66	0,040	-27,89
Озеро Доронинское
Песчаный мат 0–0,2 см	3,2	0,198	-7,17	5,01	0,305	-26,18
Песчаный мат 0,2–0,5 см	1,6	0,097	-6,98	2,47	0,150	-25,84
Песчаный мат 0,5–1 см	1,5	0,091	-8,47	1,30	0,079	-32,03
Песчаный мат 1–1,5 см	1,2	0,073	-8,79	0,73	0,044	-15,46
Песчаный мат 2–2,5 см	2,0	0,128	-7,69	2,7	0,167	-34,04
Песчаный мат 3–3,5 см	1,45	0,088	-8,69	0,92	0,056	-27,19
Маты + корка	0,375	0,022	-6,76	49,61	3,021	-27,58

При исследовании песчаного мата оз. Зун-Торей в поверхностном слое 0,2– 0,5 см наблюдается зона микробной деструкции органического вещества (рис. 5) и происходит облегчение изотопного состава углерода карбонатов до -11,70 ‰. В слоях от 0,5 до 5 см происходит синтез органического вещества фототрофными организмами, которые используют изотопно-тяжелую углекислоту со значением до -5,77 ‰

В песчаном мате озера Доронинское выявлена противоположная картина. В поверхностном слое 0–0,5 см происходит продукция органического вещества. Фотосинтезирующие организмы для синтеза органического вещества используют изотопно-тяжелую углекислоту d13С -6,98 ‰. В нижних слоях песчаного мата 0,5–3,5 см идет процесс минерализации органического вещества и происходит облегчение изотопного состава углерода карбонатов до -8,79 ‰ (рис. 6).

Рис. 5. Изотопный состав углерода карбонатов и органического вещества песчаного мата оз. Зун-Торей

Рис. 6. Изотопный состав углерода карбонатов и органического вещества песчаного мата оз. Доронинское

Культуры цианобактерий Phormidium. sp., Nodullaria sp., Oscillatotia sp., выделенные из минеральных озер, имеют изотопный состав биомассы клеток от -33,76 до -28,6 ‰. Цианобактериальный мат сформированный при участии Phormidium sp., содержит карбонаты -10,11 ‰.

Анализ изотопного состава углерода органического вещества и карбонатов микробных матов минеральных озер показал, что фотосинтезирующие бактерии использовали в продукционных процессах субстраты, содержащие преимущественно изотопно-легкий углерод (12С). Вариации изотопного состава углерода органического вещества микробных матов схожи со значениями d13С органического вещества цианобактерий (d13С сред.= -20 … -16 ‰), представленных в ранее опубликованных работах [Галимов, 1981; Zhang, Fouke, Bonheyo et al., 2004].

Содержание d13С органического вещества микробных матов озера Хилганта близко к изотопному составу бикарбоната озерных вод d13С от -17,6 до -12,9 ‰ [Oana, Deevey, 1960; Ивлев, 1976]. Значения d13С карбонатов микробных матов минеральных озер характеризовались низкими значениями. Cвязанный с цианобактериями минеральный углерод микробных матов исследованных водных экосистем имеет близкое к составу изотопов осадочных карбонатов (d13С от -5 до +5 ‰) значение.

В продукционных процессах фотосинтезирующие бактерии микробных матов минеральных озер используют углекислоту, различающуюся по изотопному составу углерода. Цианобактерии матов минеральных озер для синтеза органического вещества потребляют углекислоту биогенного происхождения.

Заключение

Изотопный состав углерода органического вещества (d13Сорг) в донных отложениях изученных минеральных озер колеблется в пределах -22,28...-30,12 ‰, карбонатов d13Скарб — в пределах -5,60...-12,15 ‰. Широкий диапазон варьирования d13Сорг указывает на то, что донные осадки наследуют изотопный состав первичных продуцентов органического вещества. Минеральные озера Забайкальского края являются благоприятной средой для развития микробных матов. Анализ изотопного состава органического вещества и карбонатов микробных матов минеральных озер показал, что фототрофные бактерии использовали в продукционных процессах субстраты, содержащие изотопно-легкий 12С.