Илы как биокосные системы

В. И. Вернадский считал, что природа образования илов в значительной степени биогенная (В. И. Вернадский, 1987). Илы содержат органические остатки и огромное количество разлагающих их микроорганизмов, являются ареной деятельности многочисленных роющих животных (илоедов и др.). Поэтому илы — динамичные биокосные системы, богатые энергией. Сущность илообразования заключается в разложении органических веществ, в окислительно-восстановительных реакциях. Н. М. Страхов (1963) в илах выделяет четыре горизонта (рис. 16). Деятельность бактерий и других организмов, их ферментов интенсивно идет в верхнем горизонте.

М. А. Глазовская (1988) приводит данные об участии микроорганизмов и животных в образовании илов разного состава. В илах рек и озер обитают микроорганизмы, окисляющие железо и марганец. Широко представлены нитчатые железобактерии — Leptothrix ochracea. Цепочки у нитчатых бактерий заключены в общий чехол. Образующиеся при окислении железа гидроксиды откладываются внутри чехла. По мере закупорки чехла бактерии, нуждающиеся в 0₂ и источнике Fe, перемещаются наружу и образуют новый чехол. Старые ожелезненные чехлы — тонкие трубочки желтовато-оранжевого цвета часто покрывают подводные камни, накапливаются на дне рек, ручьев, озер.

В озерах Карелии в образовании железистых осадков значительное участие принимает обитающий в илах на границе окислительной и восстановительной зон микроаэрофил Siderococcus limoniticus. Снизу из восстановленной зоны илов поступают ионы Fe²⁺, а сверху — необходимый для жизнедеятельности бактерий и окисления железа кислород, поэтому зона роста бактерий в виде охристой прослойки располагается в нижней части аэрируемого слоя ила. В ожелезненных озерных илах часто обнаруживается Gallionellaferruginea, развивающаяся только в присутствии Fe²⁺. Для нее характерны винтообразные нити, покрытые гидроксидами железа и заканчивающиеся бактериальной клеткой. Этот тип бактерий развивается в озерах с холодной водой (оптимум 6—8 °С). Некоторые ученые относят Gallionella ferruginea к автотрофным железобактериям, ассимилирующим углекислый газ за счет окисления железа.

Рис. 16. Вертикальная дифференциация в илах (по Н. М. Страхову, 1963):

I—IV — горизонты ила В донных отложениях рудоносных озер Карелии распространены микроорганизмы рода Metallogenium, окисляющие Мп²+ в Мп⁴⁺. Железомарганцевые конкреции имеют концентрическое строение. Микробиальные структуры обнаруживаются преимущественно в центральной части конкреций, характеризующей начальный период их образования. Предполагают, что начальное биохимическое окисление железа и марганца стимулирует процессы окисления металлов за счет уже выпавшего в осадок Mn⁴⁺: Mn⁴⁺ + Fe²⁺ = Mn²⁺ + Fe³⁺. На поверхности конкреции выпадают гидроксиды железа Fe³⁺. Мп²⁺ может переходить в сорбированные формы или подвергаться вновь биохимическому окислению. Повторение процесса ведет к росту конкреций. В прибрежной части озер часто дно устилают ожелезненные пески. Местами распространены черные гороховидные конкреции. Содержание железа в конкрециях колеблется от 15,6 до 59,3%.

В водной толще пресноводных и слабосолоноватых водоемов мелкие кристаллы кальцита покрывают поверхность многих планктонных и бентосных цианобактерий, одноклеточных и многоклеточных водорослей, водяных мхов, подводных трав — рдестов и др. Образование кальцита связано с поглощением зелеными растениями растворенной в воде углекислоты; при понижении ее концентрации непосредственно у поверхности растений растворенный бикарбонат переходит в карбонат, который выпадает в осадок. После отмирания растений и погружения их на дно кальцит поступает в донные осадки. Такие условия имеются в мелководных речных старицах, солоноватых зарастающих озерах, мелководных заливах. Кроме того, в образовании кальцита в водоемах участвуют многочисленные животные: остракоды, наземные и водные моллюски, раковины которых состоят из кальцита и арагонита, и другие ракушечные. Раковинки остракод образуют массовые скопления в известковых донных осадках озер Южной Сибири и Казахстана.

Непосредственно в донных отложениях кальцит образуется в результате деятельности различных групп гетеротрофных организмов: гнилостных и аммонифицирующих бактерий, а в солоноватых водоемах при наличии в донных отложениях гипса и за счет сульфатредуцирующих бактерий. Осаждение кальцита идет несколькими путями:

• 1) из кальциевых солей органических кислот за счет разложения гетеротрофными микроорганизмами органической составляющей. Освобождающиеся кальций и углекислота, соединяясь, дают углекислый кальций;
• 2) в результате обменных реакций кальциевых солей неорганических кислот, например сульфата кальция с углекислым аммонием, образующимся при окислении белков гнилостными бактериями: (NH₄)₂C0₃ + CaS0₄ = (NH₄)S0₄ + СаС0₃;
• 3) за счет сульфатредукции серы гипса в присутствии органических веществ. Образующийся сульфид кальция и углекислота вступают в реакцию CaS + Н₂0 + С0₂ = H₂S + СаС0₃. При улетучивании сероводорода реакция идет в сторону накопления кальцита.

Оптимальные условия для накопления кальцита — это теплые мелководные водоемы, богатые органическим веществом. В результате сильного прогревания вод в них мало растворенной углекислоты, выпадающий в осадок кальцит не переходит снова в бикарбонат кальция, а накапливается в донных илах. Такие условия имеются в мелководных речных старицах, солоноватых зарастающих озерах, мелководных заливах.

Накопление биогенного опала в донных отложениях происходит в результате деятельности диатомовых водорослей и кремниевых губок. Диатомовые водоросли весьма требовательны к обеспеченности водоема минеральным питанием. Они нуждаются в азоте, фосфоре, железе и достаточном количестве кремнезема. На них отрицательно действует повышенное содержание растворенного органического вещества. В этом случае они вытесняются цианобактериями и хлорококковыми водорослями. В пресноводных водоемах обитают диатомовые водоросли родов Melosira, Navicula, Nitzschia, Tabellaria, Fragilaria, Amphora, Asterionella, Eunotia, Cyclotella и др. При накоплении кремниевых остатков диатомовых водорослей на дне озер образуются диатомиты. Диатомит — землистая рыхлая порода светло-серого или желтоватого цвета, состоящая более чем на 50% из панцирей диатомей и потерявших форму биогенных остатков аморфного кремнезема. На территории России диатомиты наиболее широко распространены в озерах Кольского полуострова, их мощность достигает от 1 до 9 м. В озерах Карелии чаще распространены диатомовые илы, содержащие аутогенный кремнезем (3—7%); таковы илы Ладожского и Онежского озер. Диатомовые илы и прослои обнаружены в озерах Свердловской области, озерах Ильмень и Байкал.

В солоноватых и соленых озерах широко распространены процессы восстановления серы сульфатов до сероводорода и образования сульфидов. Эти процессы идут при участии сульфатредуцирующих бактерий. В водоемах с плохим водообменом, с донными отложениями, богатыми органическими остатками, в донных осадках создается восстановительный режим, поселяются сульфатредуцирующие бактерии преимущественно рода Desulfovibrio. Многие виды этих бактерий — галофиты. Это хемоорганотрофные организмы, потребляющие готовые органические вещества; их энергетический обмен связан с восстановлением серы сульфатов, находящихся в донных осадках. Сера сульфатов натрия, кальция, магния восстанавливается, образуются сульфиды: Na₂S0₄ = Na₂S + + 20₂; CaS0₄ = CaS + 20₂. При взаимодействии сульфидов с углекислотой, выделяющейся при разложении органических остатков, образуются углекислые соли и сероводород:

Углекислый кальций выпадает в осадок, сода при определенных условиях переходит в раствор, а сероводород улетучивается. В результате этого процесса идет метаморфизация вод: формируются содовые бессульфатные воды. С процессами биогенной сульфатредукции связано накопление соды в озерах и грунтовых водах. В анаэробной сильновосстановительной среде, где железо и марганец находятся в двухвалентной и относительно подвижной форме (преимущественно бикарбонаты), появление сероводорода приводит к образованию сульфидов железа и марганца и выпадению их в осадок. Образуется коллоидный черный осадок гидротроилита FeS • пН₂0, в котором рассеяны кристаллы пирита или марказита Fe₂S.