Элементный состав грунтовых вод и спелеотемы “лунное молокоˮ в карстовой пещере Прощальная (Дальний Восток)

Объект исследования. Целью работы являлся сравнительный анализ элементного состава грунтовых вод (капельной, трещинной), воды из внутреннего водотока, в карстовой пещере Прощальная (Хабаровский край) и поверхностных вод ближайшей реки Сагды-Селанка. Большой интерес представляло исследование спелиотемы (натечного образования) “лунное молоко” (moonmilk) в пещере Прощальная. Материалы и методы. Натечное образование “лунное молоко” исследовалось с помощью сканирующей электронной микроскопии (EVO-40HV, CarlZeiss, Германия) и кремний-дрейфового рентгеновского детектора X-MAX 80 мм2 . Методом ICP-MS проведен сравнительный анализ элементного состава грунтовых вод (капельной, трещинной), воды из внутреннего водотока в пещере Прощальная и поверхностных вод р. Сагды-Селанка. Результаты. Максимальные концентрации кальция, железа и марганца были установлены в весенний период в капельной воде, а магния – в проточных водах (внутренний водоток пещеры и р. Сагды-Селанка). Определено, что визуально пластичная и гомогенная масса спелеотемы “лунное молоко” гетерогенна и содержит различные микроструктуры. Трубчатые микроструктуры представлены более богатым элементным составом (C, O, Ca, Fe, Mn, Si, Al и S) по сравнению с булавовидными образованиями (C, O, Ca и Na). Связующей матрицей в составе “лунного молока” были сетчатые структуры, подобные мицелию актиномицетов и бактериальным пленкам. Выводы. Результаты проведенных исследований в условиях муссонного климата могут быть интересны при изучении карстовых процессов в других климатических зонах.

1. Абдрахманов Р.Ф., Попов В.Г. (2010) Геохимия и формирование подземных вод Южного Урала. Уфа: АН РБ, Гилем, 420 с.

2. Багринцева К.И. (1999) Условия формирования и свойства карбонатных коллекторов нефти и газа. M.: РГГУ (II), 285 с.

3. Берсенёв Ю.И. (1989) Карст Дальнего Востока. М.: Наука, 172 с.

4. Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н. (2004) Карстоведение. Ч. I. Общее карстоведение. Пермь: Пермский гос. университет, 306 с.

5. Гресов А.И., Обжиров А.И., Коровицкая Е.В., Шакиров Р.Б. (2009) Метаноностность и перспективы освоения ресурсов метана угольных пластов бассейнов юга Дальнего Востока. Тихоокеан. геология, 28(2), 103-116.

6. Жабинская Т.Б. (2003) Формирование химического состава подземных вод Воронцовского карстового массива (Западный Кавказ). Записки горного института, 155(2), 27-29.

7. Кадебская О.И. (2016) Процессы современного минералообразования в карбонатных пещерах Урала, связанные с различными микроклиматическими обстановками. Географ. вестник, 1(36), 5-17.

8. Кондратьева Л.М., Литвиненко З.Н. (2014) Формирование биопленок микробными комплексами подземных вод in vitro. Биотехнология, 3, 73-82.

9. Кондратьева Л.М., Полевская О.С. (2017) Микроорганизмы и образование спелеотемы “лунное молоко” в карстовых пещерах. Биосфера, 9(2),152-165.

10. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. (2012) Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 672 с.

11. Кулаков В.В., Кондратьева Л.М., Голубева Е.М. (2010) Геологические и биогеохимические условия формирования повышенного содержания железа и марганца в воде р. Амур. Тихоокеан. геология, 29(6), 66-76.

12. Мазина С.Е., Семиколенных А.А. (2010) Различные формы лунного молока пещер России в свете проблемы генезиса. Пермь. Пещеры. Вып. 33, 34-44.

13. Максимович Н.Г., Бельтюкова Н.В. (1981) Вторичные минералы карбонатных карстовых пещер. Пермь. Пещеры. Вып. 18, 59-70.

14. Махинов А.Н., Крюкова М.В., Махинова А.Ф. (2015) Роль карстовых явлений в формировании долинного ландшафта реки Сагды-Селанка (центральный Сихотэ-Алинь). Вестн. ДВО РАН, (5), 86-93.

15. Петров Е.С., Новороцкий П.В., Леншин В.Т. (2000) Климат Хабаровского края и Еврейской автономной области. Владивосток: Дальнаука, 173 с.

16. Потехина Ж.С. (2006) Метаболизм Fe(III) восстанавливающих бактерий. Тольятти: ИЭВБ РАН, 225 с.

17. Шварцев С.Л. (2010) Внутренняя эволюция геологической системы вода–порода. Вестник РАН, (3), 242- 251.

18. Шварцев С.Л., Рыженко Б.Н., Алексеев В.А. (2007) Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода–порода. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 389 с.

19. Aloisi G., Gloter A., Krüger M., Wallmann K., Guyot F., Zuddas P. (2006) Nucleation of calcium carbonate on bacterial nanoglobules. Geology, 34, 1017-1020.

20. Benzerara K., Miot J., Morin G., Ona-Nguema G., SkouriPanet F., Ferard C. (2011) Significance, mechanisms and environmental implications of microbial Biomineralization. C. R. Geosci., 343(2-3), 160-167.

21. Bindschedler S., Cailleau G., Braissant O., Millière L., Job D., Verrecchia E.P. (2014) Unravelling the enigmatic origin of calcitic nanofibres in soils and caves: purely physicochemical or biogenic processes? Biogeosci., 11, 2809-2825.

22. Bindschedler S., Millière L., Cailleau G., Job D., Verrecchia E.P. (2012) An ultrastructural approach to analogies between fungal structures and needle fibre calcite. Geomicrobiol. J., 29, 301-313.

23. Blyth A.J., Frisia S. (2008) Molecular evidence for bacterial mediation of calcite formation in cold highaltitude caves. Geomicrobiol. J., 25, 101-111.

24. Bontognali T.R., Vasconcelos C., Warthmann R., Dupraz C., Bernasconi S.M., McKenzie J.A. (2008) Microbes produce nanobacteria-like structures, avoiding cell entombment. Geology, 36, 663-666.

25. Cailleau G., Verrecchia E.P., Braissant O., Emmanuel L. (2009) The biogenic origin of needle fibre calcite. Sedimentol., 56, 1858-1875.

26. Canaveras J.C., Cuezva S., Sanchez-Moral S., Lario J., Laiz L., Gonzalez J.M., Saiz-Jimenez C. (2006) On the origin of fiber calcite crystals in moonmilk deposits. Naturwissenschaften, 93, 27-32.

27. Cuthbert M.O., Rau G.C., Andersen M.S., Roshan H., Rutlidge H., Marjo C.E., Markowska M., Jex C.N., Graham P.W., Mariethoz G., Acworth R.I., Baker A. (2014) Evaporative cooling of speleothem drip water. Sci. Rep., 4: 5162. doi: 10.1038/srep05162.

28. Dupraz C., Reid R.P., Braissant O., Decho A.W., Norman R.S., Visscher P.T. (2009) Processes of carbonate precipitation in modern microbial mats. Earth-Sci. Rev., 96, 141-162.

29. Fairchild I.J., Borsato A., Tooth A.F., Frisia S., Hawkesworth C.J., Huang Y.M., McDermott F., Spiro B. (2000) Controls on trace element (Sr–Mg) compositions of carbonate cave waters: implications for speleothem climatic records. Chem. Geol., 166, 255-269.

30. Fru E.С., Piccinelli P., Fortin D. (2012) Insights into the Global Microbial Community Structure Associated with Iron Oxyhydroxide Minerals Deposited in the Aerobic Biogeosphere. Geomicrobiol. J., 29(7), 587-610.

31. Hill C.A., Forti P. (2007) Cave mineralogy and the NSS: past, present, future. J. Cave Karst Stud., 69, 35-45.

32. Konhauser K., Riding R. (2012) Bacterial Biomineralization. Fundamentals of Geobiology. (Eds H. Knoll, D.E. Can field, K.O. Konhauser). John Wiley & Sons, Ltd., 105- 130.

33. Kondratyeva L.M., Polevskaya O.S., Litvinenko Z.N., Golubeva E.M., Konovalova N.S. (2016) Role of the Microbial Community in Formation of Speleothem (Moonmilk) in the Snezhnaya Carst Cave (Abkhaziya). Microbiol., 85(5), 629-637.

34. Lacelle D., Lauriol B., Ian D. (2004) Seasonal isotopic imprint in moonmilk from Caverne de l’Ours (Quebec, Canada): implications for climatic reconstruction. Canadian J. Earth Sci., 41(12), 1411-1423.

35. Liu H., Liu Z., Macpherson G.L., Yang R., Chen B., Sun H. (2015) Diurnal hydrochemical variations in a karst spring and two ponds, Maolan Karst Experimental Site, China: Biological pump effects. J. Hydrol., 522, 407-417.

36. Maciejewska M., Pessi I.S., Arguelles-Arias A., Noirfalise P., Luis G., Ongena M., Barton H., Carnol M., Rigali S. (2015) Streptomyces lunaelactis sp. nov., a novel ferroverdin A-producing Streptomyces species isolated from a moonmilk speleothem. (Antonie van Leeuwenhoek). J. Microbiol., 107(2), 519-531.

37. Maciejewska M., Adam D., Naômé A., Martinet L., Tenconi E., Całusińska M., Delfosse P., Hanikenne M., Baurain D., Compère P., Carnol M., Barton H.A., Rigali S. (2017) Assessment of the Potential Role of Streptomyces in Cave Moonmilk Formation. Front. Microbiol., 8, 1181-1199.

38. Musgrove M., Banner J.L. ( 2004) Controls on the spatial and temporal variability of vadosedripwater geochemistry: Edwards Aquifer, central Texas. Geochim. Cosmochim. Acta., 68(5), 1007-1020.

39. Richter D.K., Immenhauser A., Neuser R.D. (2008) Electron backscatter diffraction documents randomly orientated c-axes in moonmilk calcite fibres: evidence for biologically induced precipitation. Sedimentol., 55, 487-497.

40. Sanchez-Moral S., Portillo M.C., Janices I., Cuezva S., Fernandez-Cortes A., Cañaveras J.C., Gonzalez J.M. (2012) The role of microorganisms in the formation of calcitic moonmilk deposits and speleothems in Altamira. Cave. Geomorphol., 139(2), 285-292.

41. Sánchez-Román M., Vasconcelos C., Schmid T., Dittrich M., McKenzie J.A., Zenobi R., Rivadeneyra M.A. (2008) Aerobic microbial dolomite at the nanometer scale: Implications for the geologic record. Geology, 36(11), 879-882.

42. Shankar N., Achyuthan H. (2007) Genesis of calcic and petrocalcic horizons from Coimbatore, Tamil Nadu: Micromorphology and geochemical studies. Quaternary International, 175, 140-154.

43. Smith A.C., Wynn P.M., Barker P.A., Leng M.J. (2015) Drip water electrical conductivity as an indicator of cave ventilation at the event scale. Sci. Total Environ., 1(532), 517-527.

44. Spötl C., Fohlmeister J., Cheng H., Boch R. (2016) Modern aragonite formation at near-freezing conditions in an alpine cave, Carnic Alps, Austria. Chem. Geol., 435, 60- 70.

45. Summers E.A., Paoletti M.G., Beggio M., Dorigo L., Pamio A., Gomiero T., Furlan C., Brilli M., Dreon A.L., Bertoni R., Squartini A. (2013) Comparative microbial community composition from secondary carbonate (moonmilk) deposits: implications for the Cansiliella servadeii cave hygropetric food web. Int. J. Speleol., 42(3), 181-192.

46. Tisato N., Torriani S.F., Monteux S., Sauro F., De Waele J., Tavagna M.L., De Angeli I.M., Chailloux D., Renda M., Eglinton T.I., Bontognali T.R. (2015) Microbial mediation of complex subterranean mineral structures. Sci. Rep., 5:15525. doi: 10.1038/srep15525.

47. Vesper D.J., Loop C.M., White W.B. (2001) Contaminant transport in karst aquifers. Theoret. Appl. Karstol., (13- 14), 101-111.

48. Wassenburg J.A., Immenhauser A., Richter D.K., Jochum K.P., Fietzke J., Deininger M., Goos M., Scholz D., Sabaoui A. (2012) Climate and cave control on Pleistocene/Holocene calcite-to-aragonite transitions in speleothems from Morocco: Elemental and isotopic evidence. Geochim. Cosmochim. Acta, 92, 23-47.

49. Wong C.I., Banner J.L., Musgrove M. (2011) Seasonal drip water Mg/Ca and Sr/Ca variations driven by cave ventilation: implications for and modeling of speleothem paleoclimate records. Geochim. Cosmochim. Acta, 75, 3514-3529.

50. Yang H., Lu R., Downs R.T., Costin G. (2006) Goethite, α-FeO(OH), from single-crystal data. Acta Crystallograph., 62, 250-252.

51. Zeng C., Liu Z., Zhao M., Yang R. (2016) Hydrologically-driven variations in the karst-related carbon sink fluxes: Insights from high-resolution monitoring of three karst catchments in Southwest China. J. Hydrol., 533, 74-90.

52. Zhang F., Xu H., Konishi H., Shelobolina E.S., Roden E. (2012) Polysaccharide-catalyzed nucleation and growth of disordered dolomite: A potential precursor of sedimentary dolomite. Amer. Miner., 97(4), 556-567.