Формирование условий среды обитания микроорганизмов

Средой обитания для микроорганизмов в водоемах является вода и донные осадки. Между ними существует постоянный обмен вещества и энергии. Поэтому формирование условий среды носит взаимозависимый характер (Кузнецов, 1970; Горленко и др., 1977; Романенко, 1985).

Формирование природной воды определяется взаимодействием ряда факторов: геоструктурных особенностей отдельных участков земной коры, образовавшейся в течение длительной геологической истории, современной физико-географической обстановки, взаимодействием породы, воды, газа и живых организмов (Самарина, 1977; Крамаренко, 1983). Испытывая влияние комплекса физико-географических факторов и гравитационного поля Земли, все воды подчиняются закону гидрохимической зональности, проявляющуюся как по площади, так и по вертикали водного слоя (Самарина, 1977). Суть данного закона заключается в том, что с переходом от климатических зон избыточного и нормального увлажнения (гумидный климат) к зонам скудного и малого увлажнения (аридный климат) изменяются параметры химического состава озерной воды. В степной и полупустынной зонах, где отмечается более засушливый климат, чем в лесной и тундровой зонах, вместо пресных озер встречаются солоноватые и соленые озера (Алабышев, 1932; Кузнецов, 1970).

Большое значение на формирование состава озерных вод оказывают кристаллические породы, слагающие положительные формы рельефа (Горленко и др., 1999). В процессе их химического выветривания, протекающих непрерывно и в огромных масштабах в природе, образуются растворимые соли. Наибольшей растворимостью обладают плагиоклазы, затем калиево-полевые шпаты и наименьшей - кварц (Самарина, 1977). В аридной и полуаридной зоне (рН>7) в процессе химического выветривания полевых шпатов ряд катионов (К⁺, Ка⁺, Са²⁺ и др.) частично удаляются в системе, где образуется глинистый материал. Образующиеся карбонатные и гидрокарбонатные соли щелочей и щелочеземель переходят в раствор, придающие воде соответствующую реакцию.

Состав озерных вод во многом определяется типом его питания. Водно-солевое питание озера получают за счет грунтовых вод и временных дождевых потоков. Грунтовые воды по составу различны, чаще преобладают гидрокарбонатные. Общая сумма солей достигает до 2,5 г/л.

Большое влияние на формирование и режим озер оказывает многолетняя и сезонная мерзлота. Она повышает уровень грунтовых вод, ускоряет процесс засоления почв, а, следовательно, и накопление солей в озерах.

Для бессточных водоемов степных районов роль атмосферных осадков в составе озерных вод оказывается лишь в многолетнем цикле (Богданова, 1973). Воды этих осадков имеют низкую минерализацию. Количество солей, вносимых атмосферными осадками на зеркало озер, составляет 0,01-0,50%. Незначительная мощность снежного покрова в степях предопределяет малую роль снега в водно-солевом балансе бессточных озер. Свежевыпавший снег имеет минерализацию 0,01-0,03 г/л. Талые воды и временные вешние потоки функционируют очень короткое время, чаще во второй половине апреля, и наблюдаются не каждый год. Эти воды характеризуются содержанием солей до 0,01-0,60 г/л. Состав их гидрокарбонатно-натриевый и кальциевый.

Дождевые воды более концентрированы, чем снеговые осадки. Они имеют гидрокарбонатно-натриевый, кальциевый или магниевый тип (Богданова, 1973). Общая сумма солей их составляет 6-150 мг/л.

В условиях аридного климата формирование химического состава воды и осадков характеризуется сложностью процессов, протекающих в водоемах. В этих бессточных озерах расход воды осуществляется путем испарения и превалирует над его притоком, что обуславливает концентрирование раствора. Общая сумма солей, формирующихся рассольных озер, нередко достигает сотен грамм на 1 литр. Наиболее важным в гидрохимии этих озер является насыщение их в процессе концентрирования рядом легко воднорастворимых солей, вследствие чего соли переходят в твердую фазу, и устанавливается равновесие.

При кристаллизации выделяются в первую очередь наименее растворимые соли. Состав солей рассольных озер весьма разнообразен, поскольку формируются соли (минералы) с неодинаковым количеством кристаллической воды, двойные и тройные соли и т.д. Наиболее распространенными являются NaС1 - галит, NаСl*Н₂O - гидрогалит, Nа₂SО₄*10Н₂O - мирабилит, Nа₂СO₃ - сода, Na₂СO₃*NаНСO₃*3Н₂O - трона, КСl*MgСl₂ -карналлит, Nа₂SO₄- тенардит, МgSO₄*7Н₂O - эпсолит, СаSO₄-2Н₂O - гипс и др. (Алабышев, 1932; Кузнецов, 1970).

Важная роль в формировании химического состава воды принадлежит биогенным процессам. Живые организмы извлекают соли из воды даже при очень малых его концентрациях или осаждают такие элементы, как Са²⁺ , в виде карбонатов путем изменения физико-химических свойств самой озерной воды. Интенсивнее всего биологические процессы осуществляются в "малых озерах". В таких водоемах, хорошо прогреваемых и аэрируемых, наиболее активны биохимические процессы, обусловленные живыми организмами. Основная часть привноса биогенных веществ в водоемы связана с круговоротом углерода и серы, в процессе которого вовлекаются, прежде всего, главные компоненты воды - SO₄^2-, СОз^2- и НСОз^2-. В результате биологического круговорота в водоемах присутствуют различные формы углерода (СО₂, Сорг, СОз^2-, НСО^з-, СН₄) и серы (SO₄²-, сера белка, Н₂S, свободная S), изменчивы карбонатное и сульфидное равновесие, а также содержание связанных с ними равновесиями веществ. Образующиеся продукты в процессе деструкции ОВ (Н₂S, S, СН₄, СO₂) частично выходят из общего круговорота веществ - поступают в атмосферу или консервируются в виде минералов, например FеS, либо участвуют в дальнейшем круговороте веществ, определяя особенности газового состава воды (Самарина, 1977).

В газовом составе озерных вод основную роль играют газы атмосферы, с которыми озерные воды находятся в тесном контакте, и газы биохимического происхождения. В озерах Забайкалья, различающихся по трофности, интенсивность газовыделения была 400 мл газа/(м2 сут.) (озеро Иван) и более 2 400 мл/(м сут.) (озеро Иргень) (Тополов, 1991). Компонентный состав газа в озерах был одинаков и состоял из N₂, СН₄, Н₂, СO₂, O₂. Концентрация N₂ и СН₄ в исследованных озерах преобладала над остальными газами. Содержание СO₂ и O₂ определялось сезонными изменениями. Концентрация Н₂ в газовом составе было наименьшим, либо отсутствовало в определенные сезоны года. Сезонный ход газоотделения во всех исследованных Иваново-Арахлейских озерах было одинаковым: в конце периода открытой воды и в начале подледного периода (август-декабрь) присутствовал метаново-азотный газ. Содержание СН₄ в пробах достигало до 90%. В конце подледного периода и в начале периода открытой воды (декабрь-май) - азотно-метановый газ. Интенсивность газоотделения в Иваново-Арахлейских озерах коррелировала с численностью бактерий в осадках и содержанием в них ОВ. В прибрежной зоне озер плотность бактериального населения и интенсивность газообразования были выше, чем в центральной части озера. Межгодовые изменения состава газа были несущественными.

В пределах одной географической зоны солевой состав озерной воды в течение года не является постоянной величиной, т.к. почти каждый элемент в той или иной мере участвует в круговороте веществ в водоеме. Поступление солей в водоем зависит не только от подтока извне с поверхностными и грунтовыми водами, но и во многом определяется диффузией из ила (Тополов, 1991).

Активность бактериальных процессов и солевой состав рассольных озер во многом определяется температурой окружающей среды. С понижением температуры воды осенью и до полного его замораживания зимой происходит осаждение солей согласно их эвтектическим точкам.

Природная вода является многокомпонентной системой, в которой точки кристаллизации, стадии метаморфизации химического состава могут более или менее смещаться от эмпирических данных для простой системы. Так, Na₂SO₄ и КСl кристаллизуются из простых растворов при t=-1,2°С и t=-10,6С, а из морской при t=-8,2 С и t=-34,2 С соответственно. Таким образом, в рассольных озерах на температуру кристаллизации солей оказывают влияние соли с болeе низкими их значениями, что в целом определяет снижение температуры замерзания всего раствора (Власов, Филиппова, 1973; Стрижова, Орлик, 1991).

С повышением температуры весной и таянием льдов на озерах многие соли (сода, гидрогалит и др.) переходят в раствор. В результате годичных изменений в озерах протекает циклический процесс: садка - растворение, растворение — садка и т.д. Нередко цикл полностью не замыкается, и часть солей, как правило, это мирабилит, остается не растворенной, в виде твердой фазы. Новосадка - свежеосажденная соль, выпавшая в течение данного года - очень рыхлая и иногда выбрасывается волнами, образуя вдоль побережья озера валы соли (Власов, Филиппова, 1973).

При длительной аридности климата новосадка уплотняется и переходит в старосадку, которая при дальнейшей перекристаллизации (образование более устойчивых минералов) и уплотнении превращается в корневую соль. Пластовые отложения солей, в составе которых выявлены мирабилит и гидрогалит имеются на озерах Дабас-нур, Борзинское, Цаган-Нор, Бабье и др. Мощность корневого слоя достигает до 1,05 м (Власов, Филиппова, 1973)

Периодическое осаждение и растворение солей в разные сезоны года, несомненно, влияют на физико-химические показатели воды, такие как минерализация, рН, соленость, общая щелочность и т.д. В зимний период -ноябрь - март - происходит подледная садка солей. Озеро Горбунка зимой 1994-1995гг до дна не промерзало (Кулырова, 1999). Вследствие осаждения СОз^2- и НСОз- -ионов и высокой концентрации СО₂ в воде значения рН были низкими по сравнению с другими сезонами года. Показатель кислотности воды в озере Горбунка в январе составляла 8,7, в озере Ножей - 7,3 (Кулырова, 1999). Весной с апреля по май с переходом водорастворимых солей повышается общая щелочность, значения рН воды и соленость. Летом и в начале осени на исследуемой территории наблюдается повышение минерализации озерных вод, обусловленное высокой температурой воздуха и незначительным количеством осадков. В августе наблюдается опреснение озер и снижение общей суммы солей в воде. В начале октября начинается период ледового покрытия, сопровождающегося садкой мирабилита и других солей (Франк-Каменецкий, 1932; Власов, Филиппова, 1973).

Насыщенность воды рассольных озер рядом солей и наличие твердой фазы, сравнительная бедность их живыми организмами приводят к тому, что главными в гидрохимии рассольных озер являются процессы, связанные с равновесиями типа твердое вещество (соли) — раствор, при подчиненном значении биохимических реакций (Самарина, 1977).

Биохимические процессы, протекающие в "малых" озерах в разные сезоны года неодинаковы и обуславливают вертикальную стратификацию воды. Небольшая глубина и хорошая прогреваемость в летнее время засушливом сезоне, начинается выпадение солей из рапы. Таким образом, донные отложения соленых озер формируются под воздействием трех факторов одновременно: геологического, биохимического и физико-химического. Они проявляют себя по-разному в разное время. Весной в образовании осадков преобладает геологический фактор, летом - доминирует биохимический фактор, ближе к осени обычно на первое место выдвигается физико-химический фактор. В зимнее же время значение геологического и биохимического факторов ничтожно (Перфильев, 1972).

Таким образом, как солеобразование, так и илообразование протекают закономерно, последовательно сменяющимися фазами в течение годового цикла. Следовательно, каждый год характеризуется сменой визуально различимых сезонных прослоек - микрозон: минеральной, органической и солевой, а в совокупности они образуют отложение одного года. Эта тройственная природа годового слоя не всегда выступает с достаточной ясностью, так как не во всех озерах проявляют себя все три фактора. Чередование в осадках минеральных озер иловых и солевых отложений свидетельствует о периодической смене климата. Образование илов связано с увлажнением климата; накопление корневой соли указывает на наступление длительного или более кратковременного периода сухого и жаркого климата. Таким образом, можно определить возраст водоема, так как процесс илообразования осуществляется путем формирования сезонных слоев -микрозон, а в основе процесса галогенеза лежит образование годовых прослоек соли, толщина которых измеряется в сантиметрах.