Biogeochemical aspects of humic substances and silicate rocks transformation during freezing-thawing

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In the northern regions, as a result of seasonal temperature changes, cyclic thawing and freezing of soils and rocks occurs, which is accompanied by dangerous natural phenomena, including landslides. Special conditions arise on the mountain slopes of many reservoirs due to fluctuations of water levels and the interaction of humified waters with rocks. The paper presents the results of an experimental study of the biotransformation of sodium humate (SH) and changes in the microstructure of the surface of silicate rock that is part of the body of the Bureya landslide under various conditions of cyclic freezing-thawing (CFT). Freezing of samples was carried out at a temperature of –18 °C, and thawing at different temperature ranges (+4 °C and +23 °C). The role of biogenic factor was played by 4 strains of microorganisms isolated from the surface and bottom layers of water in the Bureiskoe Reservoir above and below the landslide body. The nature of the biotransformation of SH during CFT was studied by spectral methods at different wavelengths (254 nm, 275 nm, 465 nm). Analysis of the composition of water-soluble forms of chemical elements in an aqueous environment during rock destruction was carried out with use of the ICP-MS method, and changes in the microstructure of its surface with use of scanning electron microscopy. It was found that the transformation of aromatic component of SH occurred most active. After CFT, the strain Actinomyces sp. 45 VD, isolated from bottom layers of water, showed maximum activity at a thawing temperature of +4 °C in relation to SH and leaching of elements from rock (Al, Ca, Mg, Mn). Its activity was comparable to the intensity of leaching of elements by a natural microbial consortium of non-sterile rock. For comparison, we used rocks subjected to CFT in deionized water; in this case, the content of water-soluble forms of many chemical elements (Fe, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Ag, Cd, Tl, Bi, As) was below the detection limits of the device (<0.001). High biogeochemical activity of Actinomyces sp. 45 VD is confirmed by analysis of SEM-images of the microstructure of the silicate rock surface and the formation of a wide variety of isomorphic biominerals.

Full Text

Restricted Access

About the authors

L. М. Kondratyeva

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Dikopoltsev St., 56, Khabarovsk, 680000

D. V. Andreeva

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Dikopoltsev St., 56, Khabarovsk, 680000

Е. М. Golubeva

Yu.A. Kosygin Institute of Tectonics and geophysics Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Kim Yu Chen St., 65, Khabarovsk, 680000

Z. N. Litvinenko

Institute of the Water and Ecology Problems, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: freckles2008@yandex.ru
Russian Federation, Dikopoltsev St., 56, Khabarovsk, 680000

References

  1. Зеркаль О. В., Махинов А. Н., Кудымов А. В., Харитонов М. Е., Фоменко И., Барыкина О. С. (2019). Буреинский оползень 11 декабря 2018 г. Условия формирования и особенности механизма развития. Гео Риск. 13 (4), 18–30.
  2. Коковкин А. А. (2020). Феномен Бурейского оползня: данные полевых исследований и модель формирования. Отечественная геология. 4–5, 48–63.
  3. Кондратьева Л. М., Литвиненко З. Н., Филиппова Г. М. (2020). Экологический риск образования летучих органических веществ после крупного оползня. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. 3, 167–174.
  4. Кулаков В. В., Махинов А. Н., Ким В. И., Остроухов А. В. (2019). Катастрофический оползень и цунами в водохранилище Бурейской ГЭС (бассейн Амура). Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. 3, 12–20.
  5. Махинов А. Н., Ким В. И., Остроухов А. В., Матвеенко Д. В. (2019). Крупный оползень в долине реки Бурея и цунами в водохранилище Бурейской ГЭС. Вестник Дальневосточного отделения РАН. 2, 35–44
  6. Махинов А. Н., Махинова А. Ф., Левшина С. И. (2020). Оценка смыва водно-ледяным цунами почвенного покрова и качество воды в районе оползня на Бурейском водохранилище. Метеорология и гидрология. 11, 64–73.
  7. Ширшова Л. Т., Гиличинский Д. А., Остроумова Н. В., Ермолаев А. М. (2015). Применение спектрофотометрии для определения содержания гуминовых веществ в многолетнемерзлых отложениях. Криосфера Земли. 19(4), 107–113.
  8. Bell N. G.A., Murray L., Graham M. C., Uhrin D. (2014). NMR methodology for complex mixture ‘separation’. Chem. Commun. 50(14), 1694.
  9. Birdwell J. E., Engel A. S. (2010). Characterization of dissolved organic matter in cave and spring waters using UV–Vis absorbance and fluorescence spectroscopy. Organic Geochemistry. 41, 270–280.
  10. Bloom P. R., Leenheer J. A. (1989) Vibrational, electronic, and high-energy spectroscopic methods for characterizing humic substances. Humic Substances II — In Search of Structure /M.H.B. Hayes, P. MacCarthy, R. L. Malcolm, R. S. Swift (eds.). Chichester, USA, Wiley, 409–446.
  11. Chai B., Yin K., Jian W., et al. (2009) Analysis of water-rock interaction characteristics and bank slope failure process of red-bed. Journal of Central South University (Science and Technology) 4, 1092–1098
  12. Chen J., Gu B., LeBoeuf E.J. et al. (2002). Spectroscopic characterization of the structural and functional properties of natural organic matter fractions. Chemosphere. 48(1), 59–68.
  13. Christidis G. (2011). Industrial clays. EMU Notes in Mineralogy. Chapter 9, 341–414.
  14. Cory R. M., McKnight D.M. (2005). Fluorescence spectroscopy reveals ubiquitous presence of oxidized and reduced quinones in dissolved organic matter. Environmental Science and Technology. 39, 8142–8149.
  15. Deng H. F., Zhou M. L., Li J. L., Sun X. S., Huang Y. L. (2016). Creep degradation mechanism by water-rock interaction in the red-layer soft rock. Arab J. Geosci. 9: е 601
  16. Dreischmeier K., Budke C., Wiehemeier L., Kottke T., Koop T. (2017). Boreal pollen contain ice-nucleating as well as ice-binding “antifreeze” polysaccharides. Sci. Rep. 7, 1–13
  17. Esparza-Soto M., Westerhoff P. (2003) Biosorption of humic and fulvic acids to live activated sludge biomass. Water Research. 37(10), 2301–2310.
  18. Fesharaki O., Garcia-Romero E., Cuevas-Gonzalez J., Lopez-Martinez N. (2007). Clay mineral genesis and chemical evolution in the Miocene sediments of Samosaguas, Madrid Basin, Spain. Clay Minerals. 42, 187–201
  19. Gao M., Li T., Zhu J., Yin H., Yang Y. (2021). An Analysis of Relationship between the Microfracture Features and Mineral Morphology of Granite. Advances in Civil Engineering. Article ID4765731
  20. Hou N., Wen L., Cao H., Liu K., An X., Li D., Wang H., Du X., Li Ch. (2017). Role of psychotrophic bacteria in organic domestic waste composting in cold regions of China. Bioresour Technol. 236, 20–28
  21. Kramshøj M., Albers C. N., Holst T. et al. 2018. Biogenic volatile release from permafrost thaw is determined by the soil microbial sink. Nat Commun. 9. e-3412.
  22. Kulikova N. A., Perminova I. V. (2021) Interactions between humic substances and microorganisms and their implications for nature-like bioremediation technologies. Molecules. 26. Е 2706.
  23. Kumar S. (2006). Organic chemistry. Spectroscopy of Organic Compounds. Guru Nanak Dev University. 36 р.
  24. Lee J. U. and Fein J. B. (2000). Experimental study of the effects of Bacillus subtilis on gibbsite dissolution rates under near-neutral pH and nutrient-poor conditions. Chem. Geol. 166, 193–202.
  25. Lee B. M., Seo Y. S., Hur J. (2015). Investigation of adsorptive fractionation of humic acid on graphene oxide using fluorescence EEM-PARAFAC. Water Research. 73, 242.
  26. Li T., Kong L., Liu B. (2020). The California Bearing Ratio and Pore Structure Characteristics of Weakly Expansive Soil in Frozen Areas. Appl. Sci., 10. e 7576.
  27. Lipczynska-Kochany E. (2018). Effect of climate change on humic substances and associated impacts on the quality of surface water and groundwater: A review. Sci. Total Environ. 640–641, 1548.
  28. Liu X, Fu Y, Wang Y (2009) Stability of reservoir bank slope under water-rock interaction. Rock Soil Mech. 3, 613–616,
  29. Luo J., Tang L., Ling X., Geng L. (2018). Experimental and analytical investigation on frost heave characteristics of an unsaturated moderately expansive clay. Cold Reg. Sci. Technol., 155, 343–353.
  30. Manyapu V., Lepcha A., Sharma S. K., Kumar R. (2022). Role of psychrotrophic bacteria and cold-active enzymes in composting methods adopted in cold regions. Chapter One. Advances in Appl. Microbiology. 121, 1–26.
  31. Margesin R. and Collins T. (2019). Microbial ecology of the cryosphere (glacial and permafrost habitats): current knowledge. Appl. Microbiology and Biotechnology. 103, 1–13.
  32. Messan K. S., Jones R. M., Doherty S. J. et al. (2020). The role of changing temperature in microbial metabolic processes during permafrost thaw. PLoS ONE, 15(4). e0232169.
  33. O’Donnell J. A., Aiken G. R., Walvoord M. A., Raymond P. A. et al. (2014). Using dissolved organic matter age and composition to detect permafrost thaw in boreal watersheds of interior Alaska. J. Geophys. Res. Biogeosci. 119, 2155–2170.
  34. Olk D. C., Bloom P. R., Perdue E. M., McKnight D. M. et al. (2019). Environmental and Agricultural Relevance of Humic Fractions Extracted by Alkali from Soils and Natural Waters. J. of Environmental Quality. 48(2), 217–232
  35. Perminova I. V. (2019). From green chemistry and nature-like technologies towards ecoadaptive chemistry and technology. Pure Appl. Chem. 91(5), 851–864
  36. Piccolo A. (2001). The supramolecular structure of humic substances. Soil Science. 166(11), 810–832.
  37. Pokrovsky O. S., Karlsson J., Giesler R. (2018). Freeze-thaw cycles of Arctic thaw ponds remove colloidal metals and generate low-molecular-weight organic matter. Biogeochemistry. 137, 321–336.
  38. Puente M. E., Rodriguez-Jaramillo M.C., Li C. Y., Bashan Y. (2006). Image analysis for quantification of bacterial rock weathering. J. Microbiol. Methods. 64, 275–286.
  39. Rupiasih N. N., Vidyanagar P. B. (2005). A Review: Compositions, Structures, Properties and Applications of Humic Substances. International J. Advanced Science and Technology. 8(I–II), 16.
  40. Shirokova L. S., Bénézeth P., Pokrovsky O. S., Gerard E., Ménez B., Alfredsson H. (2012). Effect of the heterotrophic bacterium Pseudomonas reactans on olivine dissolution kinetics and implications for CO2 storage in basalts. Geochim. Cosmochim. Acta. 80, 30–50.
  41. Shirshova L. T., Kholodov A. L., Zolotareva B. N. et al. (2009). Fluorescence spectroscopy studies of humic substance fractions isolated from permanently frozen sediments of Yakutian coastal lowlands. Geoderma. 149(1–2), 116–123.
  42. Song W., Ogawa N., Oguchi C. T., Hatta T., Matsukura Y. (2007). Effect of Bacillus subtilis on granite weathering: a laboratory experiment. Catena. 70, 275–281.
  43. Struvay С. and Feller G. (2012). Optimization to Low Temperature Activity in Psychrophilic Enzymes. Intern. J. of Molecular Sciences. 13(9), 11643–11665.
  44. Štyriaková I., Štyriak I., Oberhänsli H. (2012). Rock weathering by indigenous heterotrophic bacteria of Bacillus spp. at different temperature: a laboratory experiment. Mineralogy and Petrology. 105(3–4), 135–144.
  45. Tribelli P. M., López N. I. (2018). Reporting Key Features in Cold-Adapted Bacteria. Life. 8(8). е8010008
  46. Vincent W. F., Lemay M., Allard M. (2017). Arctic permafrost landscapes in transition: Towards an integrated Earth system approach. Arct. Sci. 3, 39–64.
  47. Wang Y., Li C. H., Liu H., Han J. Q. (2020). Fracture failure analysis of freeze–thawed granite containing natural fracture under uniaxial multi-level cyclic loads. Theoretical and Appl. Fracture Mechanics. 110. e 102782.
  48. Wang Y., Yi X., Gao S., Liu H. (2021). Laboratory Investigation on the Effects of Natural Fracture on Fracture Evolution of Granite Exposed to Freeze-Thaw-Cyclic (FTC) Loads. Geofluids. е 6650616. 20 pages.
  49. Yang Y., Zhang N., Wang J. (2022). Study on the Effect of Negative Temperature Change on the Fracture Morphology of Granite under Impact. Geofluids. е 4918680. 13 pages.
  50. Zona D. (2016). Long‐term effects of permafrost thaw. Nature. 537(7622), 625–626.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Effect of thawing temperature (4 °C, 23 °C) and biogenic factor on the leaching characteristics of petrogenic elements in the presence of sodium humate. Sample designations: 17 VP, 13 NP, 45 VD, 40 ND — microorganism strains; PKP — natural consortium of non-sterile rock; DV — deionized water.

Download (315KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The influence of thawing temperature (4 °C, 23 °C) and biogenic factor on the leaching characteristics of elements of different genesis: As – chalcophile, Cr – lithophile, Ni and Co – siderophile; Sample designations: see Fig. 1.

Download (308KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. SEM image of the surface of dry rock samples after cyclic freezing (–18 °C) and thawing at different temperatures: a — 4 °C; b — 23 °C.

Download (690KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. SEM image of the surface of a rock sample and the formation of microstructures in the presence of Actinomyces sp. 45 VD and a thawing temperature of 4 °C: a — general view at ×1000; b — ×5000, with spectrum numbers (the elemental composition of the microstructures is presented in Table 3).

Download (729KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. SEM image of the surface of rock samples and the formation of microstructures in the presence of Actinomyces sp. 45 VD at a thawing temperature of 23 °C: a — general view of the surface at ×1000, with spectral numbers (the elemental composition of the microstructures is presented in Table 4); b — enlarged fragment, highlighted by a white outline, ×7000.

Download (367KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».