Карбонатообразование является одним из важнейших механизмов удаления кальция из воды в донные отложения водоемов.
В пресных водоемах образование осадков углекислого кальция тесно связано с жизнедеятельностью водных организмов. Так, например, заросли элодеи в расчете на 100 кг сухой массы в течение дня могут выделить до 2 кг извести. Если учесть, что биомасса растений-карбонатообразователей достигает 3—5 т/га, то легко представить какое большое количество кальция может извлекаться из водной среды и откладываться в виде слаборастворимых карбонатных осадков на дне водоемов. Особенно велика роль в процессах карбонатообразования харовых водорослей. Содержание карбонатов кальция в иле под харовыми водорослями может достигать 72,4%.
Будучи химическим аналогом кальция, стронций-90 включается в те же звенья биогеохимической миграции, что и кальций. Поэтому стабильный изотоп кальция можно рассматривать в качестве неизотопного макроносителя стронция-90. Вместе с кальцием стронций-90 включается и в процессы карбонатообразования, переходя таким образом из растворенных в воде соединений в труднорастворимый осадок.
В нашей лаборатории проведена серия опытов по количественному изучению соосаждения стронция-90 с карбонатами кальция, образующимися на поверхности водных растений. Исследования проводили как в лабораторных условиях в аквариуме, так и на материала, собранном из естественного водоема (озеро Б. Миассово).
Методика лабораторных опытов подробно описана Тимофеевой (1965), Тимофеевой и Куликовым (1968). Кальций в воде, растениях и в карбонатных осадках определяли комплексометрическим методом. Стронций-90 в образцах, отобранных из естественного водоема, определяли радиохимически по дочернему иттрию-90.
Концентрация стронция-90 в карбонатном осадке, образовавшемся на водных растениях, почти на порядок величин превышает концентрацию его непосредственно в тканях растений. Харовые водоросли концентрируют стронций значительно сильнее, чем другие виды, что, вероятно, связано с повышенной способностью харовых образовывать карбонаты непосредственно в тканях.
Для количественной оценки соотношений стронция-90 и кальция при переходе их из воды в карбонатный осадок, образующийся в результате жизнедеятельности растений, были проведены специальные опыты. Оказалось, что коэффициент дискриминации стронция-90, одинаков для карбонатов, собранных с разных видов растений; он не зависит от концентрации кальция в воде и составляет в среднем величину около 0,3. Примерно такая же величина коэффициента дискриминации получена в результате определения содержания стронция-90 и кальция в воде и карбонатах, собранных с двух видов растений в естественном водоеме. Следовательно, независимо от содержания кальция в воде и от того, на каком растении идет карбонатообразовательный процесс, относительная (по сравнению с водой) концентрация стронция-90 в карбонатном осадке оказывается почти в три раза меньше, чем концентрация кальция. Вместе с тем коэффициент дискриминации стронция-90 относительно кальция при поступлении этих элементов из водной среды непосредственно в ткани растения довольно сильно варьируют для разных видов растений.
Отсутствие зависимости коэффициента дискриминации стронция-90 в карбонатах от биологических особенностей растений дает основание предполагать, что процесс карбонатообразования, являясь в конечном итоге результатом жизнедеятельности растений, протекает вне растительного организма, а именно, в зоне контакта поверхности растений с водой.
Оказалось, что в полученном таким образом карбонатном осадке коэффициент дискриминации стронция-90 относительно кальция равен 0,33, который очень близок по величине к значению коэффициента дискриминации при образовании карбонатных осадков в результате жизнедеятельности растений. Примерно такая же величина коэффициента дискриминации получается по данным содержания стабильных стронция и кальция в морской воде и в карбонатных морских илах.
Хотя механизм карбонатообразования с участием водных растений до конца не изучен, имеется несколько толкований этого явления. Наибольшим признанием в настоящее время пользуется гипотеза, по которой образование карбонатов объясняется поглощением CO2 фотосинтезирующими растениями из бикарбонатов. Наши данные подтверждают, что этот процесс протекает на поверхности растений, поскольку коэффициент дискриминации стронция-90 относительно кальция при образовании карбонатного осадка не зависит от биологических особенностей растений и хорошо воспроизводится в простом химическом эксперименте. Само же явление дискриминации стронция-90 относительно кальция при переходе их в карбонаты может быть связано с различной растворимостью в воде бикарбонатов кальция и стронция.