Изотопный состав углерода и азота компонентов подземных карстовых геосистем на примере экскурсионных пещер Предуралья и Кавказа

Обобщены результаты исследований изотопного состава (δ¹³С и δ¹⁵N) фототрофных сообществ фотических зон и ламповой флоры пещер разных физико-географических областей: горной таежной (Предуралье, пещера Кунгурская Ледяная) и горной влажно-субтропической лесной (Западный Кавказ, пещеры Ахштырская или Большая Казчебродская, Новоафонская им. Г.Ш. Смыр). Изучены основные закономерности фракционирования изотопов углерода и азота в сообществах фототрофных организмов, а также особенности формирования почвоподобных тел (солоидов) в экстремальных условиях пещер. Показано, что изотопный состав фитомассы подземных фототрофных сообществ заметно отличался в сравнении с наземными фототрофами сходных систематических и экологических групп накоплением в них изотопов ¹²С и ¹⁴N. Увеличение доли легких изотопов углерода и азота отмечено и для солоидов пещер в сравнении с почвами на дневной поверхности. Для подземных экосистем соотношение стабильных изотопов углерода варьирует от –47.3 до –32.4‰, для контрольных образцов (наземные) от –35.5 до –26.8‰. Изотопный состав азота показывает меньшее варьирование от –8 до –1.8‰ – в подземных местообитаниях, и от –3.5 до +2.0‰ – на дневной поверхности. Выдвинута гипотеза, что наблюдаемый эффект связан с ограниченностью газообмена подземных полостей с атмосферой и проявлением внутренних факторов формирования газового состава атмосферы пещер. По мере удаления от входа вглубь пещеры выявлена тенденция к смещению изотопных соотношений в сторону уменьшения содержания тяжелого изотопа углерода и накоплению легкого в ламповой флоре и солоидах дальних залов пещер. Сделано предположение о наличии географического тренда фракционирования изотопов углерода пещерных сообществ разных природных зон (бореальной и горно-лесной субтропической).

The results of the isotopic composition studies (δ13С / δ15N) of phototrophic communities in the karst caves are presented. The caves were rangier by different physical-geographical regions: mountain taiga (Kungurskaya Ledyanaya cave) and mountain humid-subtropical forest (Akhshtyrskaya or Bolshaya Kazchebrodskaya cave and Novoafonskaya cave named after G.Sh. Smyr). The fractionation of carbon and nitrogen stable isotopes were studied in the communities of phototrophic organisms of subterranean landscapes (lampenflora), as well as the influencing of one's to the soil-like bodies (soloids) under these communities. That is discussed the difference of lampenflora phytomass isotopic composition in compare with terrestrial similar systematic and ecological groups of phototrophs towards enrichment with isotopes 12C and 14N. An increase of interests of light carbon and nitrogen isotopes was also noted for cave soloids in comparison with soils on the day surface. The ratio of carbon stable isotopes varies from –47.3 to –32.4‰ for subterranean ecosystems and from –35.5 to –26.8‰ for control samples (daylight surface). The isotopic composition of nitrogen shows a smaller variation from –8 to –1.8‰—in underground habitats, and from –3.5 to +2.0‰—on the surface. The hypothesis regarding the specifics of gas exchange in subterranean space and biological circulation of carbon dioxide in a semi-closed atmosphere was created. This hypothesis is confirmed by the trend of accumulation of the 12C isotope in lampenflora and soloids with distance from the cave entrance, which is due to the reduction of air circulation. The data of carbon and nitrogen isotope composition for the lampenflora and soloids from karst caves in the different physico-geographical zone are also generalized and systematized in this work, there is a geographical trend, but it is necessary to increase the number of studied objects from different natural zones to confirm this conclusion.