Гипс горная порода: Гипс (порода) — Экологический музей ИЭВБ РАН

Дикий камень сланец

Дикий камень сланец черный (аспидный) вносится в состав бетонов, или применяется для сооружения кровли. Основные показатели природного сырья, которые учитываются в строительном деле:

• объемная масса;
• морозо-, кислото-, щелочестойкость;
• пористость;
• истираемость;
• водопоглощение;
• предел прочности при сжатии;
• сопротивление ударным нагрузкам.

Для облицовочной плитки важны такие показатели, как рисунок, цвет, структура, рельеф лицевой стороны. По способу добычи, производства камень-сырец бывает пиленым, колотым, рваным, дробленным, молотым, плавленым. От габаритов, формы, взаимного размещения минералов в породе зависит ее структура.

Известняк дикий камень

Известняк — слоистое, очень прочное сырье. Из него строят храмы, что свидетельствует о надежности материала. Его разнообразные подвиды различаются по составу, плотности. Плитняк известняка – это шпат, который применяется для внутренней и наружной отделки стен. Одна из разновидностей имеет желтый или розовый оттенок. Образован из кварцитов и оксида железа.

Пористый известковый туф, ракушечник монтируют на вертикальных облицовочных поверхностях. Для усиления прочности сверху их покрывают водоотталкивающим средством. Иначе через три года отделка разрушится. Прочный мраморовидный известняк – лемезит по показателям похож на чистый мрамор. Он идет на отделку печей, каминов, колонн.

Дикий камень из песчаника

Плитка из песчаника содержит кварцевый песок, полевой шпат. Метод добычи – ручная сортировка на фонтанку и пластушку. Первый тип породы имеет призматическую конфигурацию без параллельных поверхностей. Второй – плоская порода без шероховатостей. Оба вида подходят для наружной облицовки фасадов, цоколей, ограждений, колонн. Внутренняя отделка – камины, лестницы, стены.

В производстве дикого камня полиуретановые формы сейчас применяются чаще всего. Они могут использоваться не один раз. Здесь предусмотрена четкая детализация рельефа, обратные углы. Отличаются простотой операции по расформовке, чего не скажешь о пластиковых формах. Смазка для снятия плитки не нужна. Габариты зависят от серии продукта.

Укладка дикого камня

1. Замешать раствор: песок, цемент, пластификатор. Или воспользоваться битумной мастикой или клеем для плитки (для наружных работ)
2. Нанести смесь тонким слоем на обрабатываемую поверхность
3. Нанести смесь тонким слоем на камень и прикрепить к основанию стены
   * следите, чтобы швы были одной толщины. Для этого можно воспользоваться крестиками или колышками
4. Затереть швы

Для покупки стройматериала можно обратиться в офис фабрики «Арсенал Проектирование» по телефону +7(495) 008-20-12.

Интересные статьи

Механизм извлечения воды из гипсовой породы микроорганизмами, колонизирующими пустыню

Значимость

Это исследование представляет собой углубленный анализ того, как микроорганизмы могут выжить в самом засушливом неполярном месте в мире, пустыне Атакама, Чили. Мы показываем, что эти организмы извлекают воду из гипсовых пород в этой пустыне, позволяя этим колонизирующим микроорганизмам поддерживать жизнь в этой экстремальной среде. Мы полагаем, что результаты этой работы могут не только пролить свет на то, как микроорганизмы могут получать воду в суровых ксерических условиях, но также дать представление о потенциальной жизни в еще более экстремальных условиях, таких как Марс, а также предложить стратегии для передовых методов хранения воды. .

Abstract

Микроорганизмы, обитающие в самых засушливых пустынях мира, обитают внутри скал в качестве стратегии выживания. Вода необходима для жизни, а способность каменного субстрата удерживать воду важна для его обитаемости. Здесь мы сообщаем о механизме, с помощью которого гипсовые породы из пустыни Атакама, Чили, обеспечивают водой свои колонизирующие микроорганизмы. Мы показываем, что микроорганизмы могут извлекать кристаллизационную воду (т.е. структурно упорядоченную) из породы, вызывая фазовое превращение гипса (CaSO ₄ · 2H ₂ O) в ангидрит (CaSO ₄ ).Чтобы исследовать и подтвердить механизмы извлечения воды и фазового превращения, обнаруженные в естественной геологической среде, мы культивировали изолят цианобактерий на образцах гипсовой породы в контролируемых условиях. Мы обнаружили, что цианобактерии, прикрепленные к плоскостям кристаллов с высокой поверхностной энергией ({011}) образцов гипса, образуют тонкую биопленку, которая вызывает растворение минералов, сопровождающееся экстракцией воды. Этот процесс привел к фазовому превращению в безводный сульфат кальция, ангидрит, который образовался в результате переосаждения и последующего присоединения и выравнивания нанокристаллов.Результаты этой работы не только проливают свет на то, как микроорганизмы могут получать воду в суровых ксерических условиях, но также дают представление о потенциальной жизни в еще более экстремальных условиях, таких как Марс, а также предлагают стратегии для передовых методов хранения воды.

Вода играет множество ролей в функциях организма: она не только важна для метаболических процессов, но также действует как структурный компонент материалов и тканей (1, 2). Вопреки всему, даже в самых засушливых местах на Земле, где ничего не растет, было обнаружено, что микроорганизмы колонизируют каменные (горные) субстраты в качестве последнего убежища для жизни (3, 4).Отфильтровывая УФ-излучение и улучшая доступ к воде, порода обеспечивает защиту и стабильность для неожиданного разнообразия микробных таксонов, включая цианобактерии, актинобактерии, Chloroflexus и протеобактерии (4, 5). Такие скопления эндолитических (внутри горных пород) микроорганизмов были обнаружены в пустыне Атакама в Чили, одной из самых засушливых и древнейших пустынь на Земле (6⇓ – 8) и окружающей среде, аналогичной Марсу (9). Индекс засушливости (AI) пустыни Атакама, соотношение среднего водоснабжения и потенциальной эвапотранспирации, может составлять всего 0.0075 (10), в то время как порог AI 0,05 используется для определенных гипераридных пустынь (11). В гипераридной центральной части пустыни записи об относительной влажности воздуха (RH) показывают обширные периоды ниже 60% RH ( SI Приложение , рис. S1), что свидетельствует о нехватке воды. Важно отметить, что 0,585 активности воды ( _w ; 58,5% относительной влажности) является нижним пределом, при котором была обнаружена метаболическая активность (12). Таким образом, понимание того, как микроорганизмы приобретают воду в условиях экстремального ксерического стресса, может дать представление о потенциальной жизни на Марсе в прошлом или настоящем, а также помочь в разработке новых технологий для хранения и сбора воды (13, 14). Ксерический стресс определяется здесь как нехватка воды (высыхание), которая вызывает биохимический, метаболический, физический и физиологический стресс (1). Диапазон активности воды для возникновения ксерического стресса колеблется от 0,91a _w до 0,585a _w в зависимости от микроорганизмов (1, 12).

Одним из видов минералов, обычно встречающихся в пустыне Атакама, является гипс (7), гидратированный сульфат кальция (CaSO ₄ · 2H ₂ O). В то время как этот субстрат содержит другие минералы, такие как сепиолит, которые потенциально могут уменьшить ксерические напряжения из-за своей пористой структуры и способности абсорбировать и удерживать воду (8, 15), вода, находящаяся в гипсе, является кристаллической, с содержанием до 20.8% от общей массы хранится в его решетке. Таким образом, можно предположить, что гипс может служить источником воды для организмов, живущих в условиях экстремального ксерического стресса (16). Фактически, было определено, что растение с мелкими корнями, Helianthemum squamatum , живет на гипсе и извлекает воду из скал в засушливое лето на северо-востоке Испании (17). Однако механизм, с помощью которого эта вода извлекается из гипса, а также ее результирующее воздействие на горную породу, остаются неустановленными.

Изучены переходы между различными фазами геологических минералов сульфата кальция — гипсом, бассанитом и ангидритом (15, 18–20).Известно, что гипс может частично или полностью потерять свою структурную или «кристаллическую» воду и впоследствии превратиться либо в фазу полугидрита, бассанита (CaSO ₄ · 1 / 2H ₂ O), либо в безводную фазу, ангидрит ( CaSO ₄ ), в различных средах (18, 22). Кроме того, гипс, который был обнаружен в эвапоритовых минералах в верхней коре Земли, может претерпевать обратимое превращение в ангидрит после цикла дегидратации-гидратации при определенных геохимических условиях (18).Фазовые диаграммы CaSO ₄ и воды были разработаны, чтобы показать влияние температуры и давления на растворимость и стабильность различных фаз (15, 19). Гипс является термодинамически стабильной фазой ниже 40 ° C, но при повышении температуры он нестабилен, переходя в фазу ангидрита (19). Кинетика этих фазовых превращений гипс-ангидрит контролируется дополнительными условиями окружающей среды, такими как кислотность и ионная сила, которые потенциально могут влиять на водородные связи между молекулами воды и сульфат-ионами внутри кристаллов гипса.Например, присутствие H ⁺ может облегчить извлечение кристаллизационной воды (т.е. структурно упорядоченной) внутри кристаллов гипса за счет образования H ₃ O ⁺ , что увеличивает растворимость минерала (20).

Здесь мы используем комбинацию микроскопии и спектроскопии, чтобы охарактеризовать образцы гипса как в геологической, так и в лабораторной среде, выявляя процессы, с помощью которых колонизирующие микроорганизмы получают воду из своего субстрата, и результирующее воздействие на породу.Мы сообщаем, что гипсовые породы превращаются в ангидриты из-за потери кристаллизационной воды в процессе, вызванном микроорганизмами. Результаты этого исследования дадут представление о механизмах выживания организмов, живущих в экстремальных условиях, и, таким образом, имеют потенциал для использования при определении источников хранения воды для внеземных исследований или обитания.

Микроорганизмы, обитающие в гипсовых скалах

Наблюдение за гипсовыми породами, собранными в пустыне Атакама, показало зеленую зону колонизации под поверхностью (белая стрелка на рис.1 A ), что свидетельствует о наличии фотосинтетических микроорганизмов (7). Изображения микрокомпьютерной томографии (µ-CT) (рис. 1 B ) выявили микробные колонии внутри породы. Кроме того, компьютерная томография выявила поры, присутствующие в матрице породы, и микроорганизмы, колонизирующие их, как сообщалось ранее (6-8). Дальнейшие наблюдения, проведенные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) (рис. 1 C и D ), показали, что микроорганизмы имели предпочтительное прикрепление к определенным кристаллическим граням гипса.Рамановская спектроскопия и картирование ( SI, приложение , рис. S2) и микрофотографии SEM ( SI, приложение , рис. S3) подтвердили, что микробные клетки собраны в основном на плоскостях {011} гипса. Вероятно, что эти конкретные плоскости имеют более шероховатую поверхность (23), что обеспечивает более сильную адгезию, но также может способствовать ускоренному доступу воды (то есть за счет улучшенной кинетики растворения) (24, 25). Клетки, подобные цианобактериям, идентифицировали по морфологическим признакам в микробных колониях (рис.1 D ). В качестве обобщения наших наблюдений за гипсовыми породами представлена ​​схема (рис. 1 E ) микроорганизмов, заселяющих породы при ксерических напряжениях (1).

Микроорганизмы обитают в гипсовых породах пустыни Атакама. ( A ) Фотография образцов гипсовых пород. Зеленый цвет, обозначенный белой стрелкой, показывает область, колонизированную микроорганизмами. ( B ) Микро-КТ изображения гипсовых горных пород, выделяющие микроорганизмы, живущие внутри.Желтый и красный цвета представляют собой колонии микроорганизмов внутри породы. ( C и D ) СЭМ изображения гипса. Внеклеточный матрикс, окружающий клетки цианобактерий в образцах гипса, обозначен зеленым цветом в D . ( E ) Схема колонизации микробов и их расположения в гипсовой породе. УФ, ультрафиолет.

Для дальнейшего исследования границы раздела микробов с субстратом мы применили комбинацию элементного и структурного анализов к колонизированным гипсовым породам. В частности, информация об элементах породы была получена с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) и картирования. Помимо основных элементов в гипсе (S, Ca, O и C), также были обнаружены Si, Al, Mg, Na и Fe (рис.2 A — C ), скорее всего, из сепиолита, глинистый минерал, ранее обнаруженный в гипсе из пустыни Атакама ( SI Приложение , рис. S4) (6, 8). Структурная информация, в частности фазы, существующие в гипсовых породах, была идентифицирована с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) в областях с микроорганизмами и без них (рис.2 D ). Интересно, что ангидрит наблюдался в областях, заселенных микроорганизмами, тогда как области субстрата без микроорганизмов состояли только из гипса. Карты инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) были получены в областях с микроорганизмами для дальнейшей проверки существования ангидритной фазы (21, 26). Результирующий спектр показывает уменьшение интенсивности пиков, представляющих кристаллизационную воду (рис. 2 E , выделено оранжевым), что указывает на преобразование в ангидрит в этой области.Картирование FTIR (рис. 2 F ​​ и G ) дополнительно подтвердило существование ангидритной фазы вокруг гипсовой фазы. Эти результаты показывают, что микроорганизмы, вероятно, ответственны за преобразование гипса в ангидритную фазу. В предыдущих исследованиях было показано, что гипс может превращаться в ангидрит, теряя кристаллизационную воду при отжиге при 440 К (27). Таким образом, вполне вероятно, что микроорганизмы также могут управлять этой трансформацией, извлекая воду, необходимую для выживания.Чтобы проверить эту гипотезу, в лаборатории в контролируемых условиях были проведены эксперименты с культурой.

Структура и химический состав образца гипсовых пород пустыни Атакама. ( A ) Оптическая микроскопия тонкого поперечного сечения образца гипса с черными примесями в скальной матрице. ( B ) Энергодисперсионное рентгеновское картирование (EDX) образцов гипсовых пород. Область отображения обозначена красным прямоугольником в A . Белая область — это гипс, а черная область — Si, Al, Mg, O и Fe.( C ) Средний спектр (число импульсов в секунду [cps] в зависимости от энергии) отображения EDX в B . ( D ) XRD образцов гипса на участках с микробами и без них. Ангидритная фаза наблюдается на участках с микробами. ( E ) FTIR-картирование и спектры микробов в гипсовых породах. Выделенная область, также показанная на вставке , от 3000 см ^-1 до 3 800 см ^-1 указывает на присутствие пиков кристаллизации воды в кристаллах гипса.( F ​​) Изображение, полученное при оптической микроскопии, показывает область картирования. (Масштабная шкала, 100 мкм.) ( G ) FTIR-карта пиковой интенсивности при 3400 см ^-1 , указывающая на кристаллизационную воду в кристаллах гипса. Синяя область представляет собой фазу ангидрита, а зеленый и желтый цвета указывают на наличие гипса.

Гипс как источник воды для микроорганизмов

Образцы гипсовых пород, собранные в пустыне Атакама, были использованы в качестве субстрата в экспериментах по культивированию штамма цианобактерий, ранее выделенного из аналогичных образцов (рис.3 А ). Гипсовые купоны (кусочки гипса со средним размером 0,5 × 0,8 × 0,5 мм) были подвергнуты двум различным условиям культивирования: 1) цианобактерии в «сухих условиях» (определяемых как добавление инокулята к субстрату и его высыхание во время инкубации. период) и 2) цианобактерии во «влажных условиях» (определяемых как добавление культуральной среды к субстрату во время периода инкубации в дополнение к посевному материалу). Через 30 дней инкубации клетки на и внутри гипсовых купонов имели ярко-зеленый цвет, что указывало на присутствие фотосинтетических пигментов (рис.3 В ). Присутствие и распределение цианобактерий в субстрате дополнительно подтверждалось сосуществованием углерода и азота, картированием EDS (рис. 3 C ) и визуализацией SEM (рис. 3 D ). Все гипсовые купоны содержали клетки цианобактерий; однако из-за разницы в условиях культивирования окончательный состав гипсовой основы был другим. XRD показывает, что ангидрит присутствовал в гипсовых купонах, культивируемых в «сухих условиях», но не был обнаружен в гипсе без микроорганизмов (отрицательный контроль) или в тех, которые культивировались в гидратированных условиях (т.е.е., в жидкой среде; Рис.3 E ). Это говорит о том, что «сухие условия» способствовали извлечению воды цианобактериями из гипсовой породы, что привело к ее превращению в ангидрит. Эти результаты подтверждают наши наблюдения за гипсовыми породами, собранными в пустыне Атакама. Что еще более важно, мы обнаружили, что интенсивность пика XRD фазы ангидрита была больше в купонах, культивируемых с большим количеством клеток цианобактерий, что дополнительно подтвердило нашу гипотезу о роли микроорганизмов в фазовых превращениях, наблюдаемых в гипсе.

Культура цианобактерий на образцах гипса. ( A ) Схема цианобактерий, культивируемых в сухой и жидкой средах. ( B ) Изображение, полученное при оптической микроскопии образцов гипса, показывающее колонии цианобактерий (зеленый цвет) на гипсе после экспериментов с культивированием. ( C ) EDS-картирование цианобактерий, культивируемых на гипсе. ( D ) СЭМ-изображения образца гипса после культивирования, показывающие пористую структуру и прикрепление цианобактерий (зеленый цвет) к поверхности.Биопленка окружает цианобактерии. ( E ) XRD контрольного гипсового камня (черная кривая; т.е. не подвергнутого воздействию микробов), образцов, культивированных в условиях низкой концентрации (LC) и высокой концентрации (HC) цианобактерий как в сухой, так и в жидкой среде. Пики дифракции, отмеченные черными квадратами, представляют фазу ангидрита, а отмеченные звездочками — от гипса. ( F ​​) FTIR образцов контрольной группы и культур цианобактерий при низких и высоких концентрациях. На поверхности образцов гипса с культурами цианобактерий обнаруживаются специфические полосы поглощения, представляющие собой органические кислоты. ( G ) Рамановская спектроскопия образцов гипса, культивированных с высокой концентрацией цианобактерий. На поверхности образца обнаруживаются как гипс, так и ангидрит. Красный и синий спектры представляют две разные области, указанные в I . Абсорбция воды в гипсе отмечена желтой полосой. ( H и I ) Картирование фаз гипса и ангидрита с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света.( H ) Оптическая микрофотография показывает область отображения (черный ящик), используемую в I . ( I ) Фазовая карта гипса (красный) и ангидрита (синий).

СЭМ-анализ культивированного гипса также показал присутствие внеклеточного материала, образующего биопленочный матрикс, покрывающий цианобактерии (рис. 3 D и SI Приложение , рис. S5) (28). FTIR-анализ гипсовых купонов, культивированных с высокими концентрациями цианобактерий, показал значительно более интенсивные полосы поглощения для C = O и O-H, что указывает на существование более высоких концентраций органического материала. Здесь вполне вероятно, что эта органика богата фрагментами карбоновых кислот (рис. 3 F ​​) (26, 29, 30). Присутствие органических кислот в биопленке, окружающей клетки цианобактерий, было также подтверждено рамановской спектроскопией (рис. 3 G ) (31–33). Кроме того, последующие карты комбинационного рассеяния света подчеркивают фазовое превращение гипса в ангидрит (рис. 3 H , чистый гипс и рис. 3 I , смесь гипса и ангидрита). Основываясь на этих результатах, вполне вероятно, что органические кислоты в биопленке вступили в реакцию и протравили гипсовую породу, высвобождая воду в ее решетке для цианобактерий.По мере роста бактерии производят больше органической кислоты и, таким образом, извлекают дополнительную воду, которая вызывает дальнейшее преобразование гипса. Аналогичным образом было подтверждено, что бактериальные биопленки на поверхности зубов содержат кислоты (например, молочную кислоту), которые могут привести к растворению фосфата кальция и разрушению зубной эмали (34, 35).

Механизмы фазового превращения гипса в ангидрит

Чтобы лучше понять превращение гипса в ангидрит этими микроорганизмами, были получены микрофотографии кристаллов гипса и ангидрита на разных стадиях трансформации, полученные с помощью СЭМ и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).На основании наших наблюдений мы описываем фазовое превращение гипс – ангидрит в четыре последовательных этапа (рис. 4). Первоначально микроорганизмы прикрепляются и образуют биопленку на {011} плоскостях частиц гипса (Рис. 4 A и SI Приложение , Рис. S1). До любого взаимодействия с микробами частицы гипса являются монокристаллическими (как видно с помощью ПЭМ на рис. 4 B ). Биопленка, покрывающая гипс (Рис.4 A и C и SI Приложение , Рис.S4) содержит органические кислоты (19), которые вызывают растворение минералов, позволяя извлекать воду, которая может быть поглощена микроорганизмами. Наблюдение за поверхностью образцов гипса показывает пористую структуру, украшенную перемычками из биопленки, что указывает на движущую силу растворения минералов (рис. 4 C ). Получение изображений с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМВР) и дифракции электронов в выбранной области (SAED) (рис. 4 D и H , вставка , соответственно) показывает нанокристаллы ангидрита, случайно осаждающиеся вблизи поверхности растворяющегося гипса, что позволяет предположить, что происходит фазовое превращение гипс-ангидрит.Фазовое превращение гипса в ангидрит имеет два процесса: растворение гипса и осаждение ангидрита, который можно описать как CaSO4⋅nh3O↔Ca (aq) 2 ++ SO4 (aq) 2- + nh3O, где n — гидратация номер (19, 36, 37). Таким образом, фазовое превращение определяется растворимостью различных фаз в этой конкретной среде, и было доказано, что ангидрит является более стабильной фазой и имеет более низкую растворимость (19, 20). Кислая среда, создаваемая микроорганизмами, а также извлечение воды могут усилить и облегчить фазовое превращение.По мере образования дополнительного ангидрита эти «первичные» нанокристаллы присоединяются посредством ближнего выравнивания с образованием иерархически собранных мезокристаллов (рис. 4 E и F ​​). Наблюдается рассогласование кристаллических плоскостей двух соседних нанокристаллов, образованных в процессе ориентированного прикрепления ( SI Приложение , рис. S6). Дополнительная сборка (рис. 4 G и H ) этих первичных частиц дает более крупные частицы ангидрита. Наблюдается дальняя ориентация этих нанокристаллов вдоль направления [002] (рис.4 H ), причем границы раздела этих выровненных первичных частиц четко представлены (см. Микрофотографию HRTEM на рис. 4 H , вставка ).

Механизмы фазового превращения гипс – ангидрит. Процесс описывается в четыре этапа. I этап: микроорганизмы прикрепляются к кристаллам гипса и образуют биопленку. ( A и B ) СЭМ и ПЭМ изображения выделяют кристаллы гипса. Подтверждение наличия монокристаллического гипса, полученного посредством TEM и SAED (, вставка, ), показано в B .Этап II: ( C и D ) растворение гипса и водная экстракция с последующим осаждением нанокристаллов ангидрита. ( C ) На периферии частиц гипса наблюдается пористая структура, указывающая на их растворение. ( D ) Зарождение ангидрита на поверхности кристаллов гипса. Анализ SAED (, вставка ) свидетельствует о случайном распределении нанокристаллов ангидрита. Этап III: ( E и F ​​) Рост кристаллов ангидрита.( E ) СЭМ-изображение показывает большие ограненные частицы ангидрита на поверхности гипса. ( F ​​) Просвечивающая электронная микроскопия в светлом поле демонстрирует ближнее ориентирование нанокристаллов ангидрита, предполагая прикрепление частиц. Рисунок SAED (, вставка, ) указывает на выравнивание нанокристаллов во время процесса прикрепления. Этап IV: ( G и H ) Завершение фазового превращения гипс-ангидрит. ( G ) СЭМ-изображение частиц ангидрита, выделяющее огранку поверхности.( H ) Светлопольное изображение ПЭМ и SAED указывают на предпочтительное выравнивание в направлении [002]. Синий прямоугольник (, вставка ) показывает границы раздела между нанокристаллами, наблюдаемые с помощью ПЭМВР, отмеченные желтыми кружками. (Шкала, 5 нм.) ( I ) Резюме и схематическое изображение индуцированного микроорганизмами фазового превращения гипс-ангидрит. Микроорганизмы прикрепляются и образуют биопленки на плоскостях {011} кристаллов гипса; гипс растворяется, и происходит водное извлечение. Исходя из кристаллической структуры гипса, кристаллизационная вода подвергается воздействию плоскостей {011}, но не плоскостей {010}.Когда монокристаллический гипс растворяется и теряет кристаллизационную воду, он превращается в осаждение нанокристаллического ангидрита. Эти нанокристаллы ангидрита осаждаются на поверхности кристаллов гипса. Наблюдается ближняя ориентация нанокристаллов ангидрита. Крупные кристаллы ангидрита микрометрового размера образуются в результате присоединения и выравнивания частиц.

Схема механизма индуцированного цианобактериями фазового превращения гипс-ангидрит проиллюстрирована на рис. 4 I .Микроорганизмы прикреплялись преимущественно к плоскостям {011} в исходных образцах гипса, обнаруженных в пустыне Атакама (Рис. 1 C и SI Приложение , Рис. S5). Это также наблюдается в контролируемых экспериментах по культивированию цианобактерий (рис. 4 A ). Исследование кристаллической структуры гипса ( SI Приложение , рис. S7) показывает, что вода внутри минерала подвергалась воздействию плоскостей {011}, но экранирована плоскостями {010} (38), что может объяснить предпочтительное колонизация этих организмов.При потере кристаллизационной воды моноклинные кристаллы гипса становятся нестабильными и превращаются в кристаллы орторомбического ангидрита. Относительно нерастворимый ангидрит (т.е. в кислых условиях) впоследствии осаждается в виде нанокристаллов ангидрита вблизи поверхностей гипса (20). По мере того, как происходит это фазовое превращение, нанокристаллы ангидрита, по-видимому, выстраиваются и прикрепляются друг к другу упорядоченным образом, образуя мезокристаллы, что позволяет предположить, что дополнительный рост происходит неклассическим путем (39, 40). Этот механизм роста отличается от классических путей роста кристаллов, которые обычно происходят путем добавления мономера к мономеру (40). Это ориентированное прикрепление первичных частиц обеспечивает средства для уменьшения свободной энергии системы без созревания Оствальда, давая более крупные кристаллы. Этот процесс также наблюдался в механизмах роста кристаллов гипса в синтетических средах (41). Поверхность конечных кристаллов ангидрита шероховатая, отмечена многочисленными границами раздела от нанокристаллов (42, 43).

Выводы

Эндолитические микроорганизмы в пустыне Атакама адаптировались к своей чрезвычайно сухой среде, используя свой каменистый субстрат, такой как гипс, не только для защиты от сильного солнечного излучения, но и в качестве источника воды. Микроорганизмы, такие как цианобактерии, которые населяют эти породы, извлекают воду, включенную в решетку гипса (кристаллизационную воду), что приводит к одновременному фазовому превращению в ангидрит. Органические кислоты были обнаружены в биопленках, окружающих эти микроорганизмы. Последующее травление происходило на высокоэнергетических кристаллических плоскостях гипса, высвобождая воду для микроорганизмов. Эксперименты в контролируемых условиях с культурами цианобактерий, выращенными на образцах природных гипсовых пород, также собранных в пустыне Атакама, подтвердили вышеупомянутые наблюдения геологической среды. В частности, культивирование цианобактерий на гипсовых породах в сухой среде привело к фазовому превращению гипса в ангидрит, причем степень фазового превращения напрямую коррелировала с количеством клеток в культуре.В условиях гидратированной культуры фазового превращения не наблюдалось, что указывает на то, что извлечение воды из породы происходит только в средах, где воды мало. Анализ этого фазового превращения выявил специфический путь, который включает растворение гипсовой фазы органическими кислотами в микробных биопленках с последующим осаждением нанокристаллов ангидрита, которые затем растут за счет прикрепления частиц. Результаты текущего исследования не только дают представление о конкретных взаимодействиях между микроорганизмами и минералами, но также могут предложить потенциальные стратегии для технологий хранения воды в экстремальных условиях, включая внеземные среды обитания.

Материалы и методы

Коллекция гипсовых пород.

Колонизированные гипсовые породы были собраны в пустыне Атакама, Чили (координаты GPS: 20 ° 43 ‘ю.ш., 069 ° 58’ з.д., 944 м над уровнем моря) в марте 2018 г. Образцы хранились в стерильных пакетах Whirlpack в темноте и в комнате температура (∼25 ° C) перед дальнейшей обработкой.

Характеристики материалов.

РЭМ и ЭЦП.

Образцы гипса, собранные в пустыне Атакама, были разморожены на воздухе в течение 24 часов перед определением характеристик с помощью SEM / EDS.Гипсовые породы дробили долотом, а затем напылением покрывали Pt / Pd. Затем были визуализированы поверхности трещин с помощью автоэмиссионного СЭМ (MIRA3 GMU; TESCAN), работающего при 20 кВ. Для анализа EDS образцы гипса сначала заливали эпоксидной смолой (эпоксидная смола для холодного отверждения Epofix; Electron Microscopy Sciences), шлифовали и оценивали с помощью SEM (MIRA3 GMU; TESCAN), работающего при 20 кВ, и системы Quantax 400 EDS, оснащенной двойные SSD-детекторы xFlash 6 (Bruker).

Порошковая XRD.

Участки с зелеными колониями в гипсовых породах и без них были изолированы и измельчены в мелкие порошки.Использовали рентгеновский дифрактометр (Empyrean; PANalytical) с Cu-Kα-излучением с напряжением генератора 45 кВ и током трубки 40 мА. Диапазон сканирования (2θ) от 10 ° до 70 °.

FTIR.

Образцы гипсовых пород залиты эпоксидной смолой. Ультрамикротом (RMC MT-X; Boeckeler Instruments) использовался для получения гладких поверхностей образца для FTIR-картирования. Карта размером 70 × 70 мкм была создана с использованием FTIR-спектрометра (серия Cary 600; Agilent Technologies) с кристаллом германия с ослабленным полным отражением.

Рамановская спектроскопия.

Гипсовые купоны после культивирования с цианобактериями с высокой концентрацией были исследованы с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, выполненной с помощью конфокального рамановского микроскопа WITec, оснащенного термоэлектрически охлаждаемой камерой устройства с заряженной связью и широкополосным спектрометром UHTS300 в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. в сочетании с MIRA3-TESCAN SEM. Спектры регистрировали с помощью объектива Zeiss 100 × в камере SEM в вакууме с помощью лазера с длиной волны 532 нм. Карта размером 40 × 40 мкм была получена на поверхности гипсового купона.

ТЕМ.

Образцы встроенного гипса, разрезанные на ультрамикротоме (RMC MT-X; Boeckeler Instruments), чтобы получить прозрачные для электронов срезы (~ 70 нм). Компания Field Electron and Ion Company (FEI) Tecnai12 (работала при 120 кВ) и FEI Titan Themis 300 (работала при 300 кВ; Thermo Fisher Scientific) использовались для получения изображений TEM и HRTEM в светлом поле соответственно.

Выделение, культивирование и анализ цианобактерий.

Изолят цианобактерий был получен путем инкубации размолотого колонизированного гипса, собранного в пустыне Атакама (6), в жидкой среде BG11 (44, 45) в течение 5 недель при 25 ° C и менее 24 мкмоль фотонов м ⁻² s ⁻¹ белого света.Колонии выделяли из 1% агаровой (вес / объем) среды BG11, и изолят G-MTQ-3P2 был идентифицирован как Chroococcidiopsis sp. с использованием секвенирования гена рибосомной РНК 16S.

Гипсовые купоны (0,5 мм × 0,8 мм × ∼0,5 мм толщиной) были приготовлены с использованием алмазной пилы. Для культуральных экспериментов купоны стерилизовали автоклавированием (20 мин при 121 ° C) и помещали в 96-луночные планшеты. Сто микролитров культуры цианобактерий (изолят G-MTQ-3P2), выращенной в среде BG11, использовали для инокуляции каждого купона гипса при двух плотностях клеток, 10 ⁵ клеток / мл или 10 ⁸ клеток / мл.Контроли инокулировали в стерильную среду BG11; 96-луночные планшеты инкубировали при 25 ° C под 24 мкмоль фотонов · м ^-2 s ^-1 белого света или в темноте в течение 30 дней, либо в «влажных», либо в «сухих» условиях. В «влажных условиях» периодически добавляли среду BG11, чтобы на поверхности каждого купона оставался тонкий слой жидкости. В «сухих условиях» во время инкубационного периода не добавляли никакой дополнительной среды. По одному образцу из каждого условия измельчали ​​в тонкий порошок для XRD (Empyrean; PANalytical). Для остальных образцов была проведена характеристика SEM, TEM и FTIR на основе вышеупомянутых методов.

Доступность данных.

Все данные, подтверждающие выводы этого исследования, являются самоокупаемыми.

Благодарности

Мы благодарим доктора Красимира Божилова из Калифорнийского университета в Риверсайде за помощь с анализом ПЭМ. Эта работа была поддержана финансированием от NASA (грант NNX15AP18G) для J.D. и Управления армейских исследований (ARO) (грант W911NF-18-1-0253) для Д.K. и J.D. Также, D.K. выражает признательность за финансирование от ARO (гранты W911NF-16-1-0208 и W911NF-17-1-0152).

Сноски

• Вклад авторов: W.H., J.D., and D.K. спланированное исследование; W.H., E.E., T.W., L.C. и M.D. проводили исследования; W.H., E.E., J.D. и D.K. проанализированные данные; и W.H., E.E., J.D., and D.K. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https: // www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2001613117/-/DCSupplemental.

Гипс | Музей наук о Земле

Вернуться к статьям о горных породах и полезных ископаемых

Келли Снайдер и Питер Рассел

Гипс, гидратированный сульфат кальция, Ca SO4.2h3O, является обычным минералом, образующимся в основном при испарении морской воды. Известный с древних времен, его название происходит от арабского jips, означающего «гипс», а затем от греческого gypsos, означающего мел.

Гипсовый кристалл, местонахождение неизвестно. Собрание Музея наук о Земле Университета Ватерлоо.

Гипс может быть найден в виде толстых слоев в сланцах и в виде привлекательных кристаллов.

• Rock Gypsum — мягкий, гранулированный, от белого до серого, с 30-40% примесей
• Селенит — чистый кристаллический гипс, содержащийся в прозрачных моноклинных кристаллах
• Алебастр — белый, компактный, мелкозернистый сорт, используемый для резьбы
• Satin Spar — тонкая, полупрозрачная волокнистая разновидность с шелковистым блеском

Нет гипсовых отложений, 100% чистота.Обычно он встречается в месторождениях, состоящих из следующих элементов: известняк, песок, сланец, ангидрит и иногда каменная соль. Для коммерческого месторождения содержание гипса должно быть не менее 75%. Первая добыча гипса в Северной Америке была в Новой Шотландии около 1770 года. С тех пор Новая Шотландия стала самым продуктивным регионом по добыче гипса в мире. Первыми производителями были почти все фермеры из района округа Хантс, владевшие землей, на которой произрастал гипс. Они добыли камень и отвезли его на лошади и в повозке до ближайшего отгрузочного терминала.Там гипс будет продаваться местным торговцам и отправляться на восточное побережье США и использоваться для удобрения земли. Самый большой гипсовый карьер в мире находится в Милфорде, Новая Шотландия.

При нагревании до температуры от 110 ° C до 120 ° C гипс теряет более половины своей кристаллизационной воды и превращается в белый порошок, гипс или кальцинированный гипс. Именно после преобразования в гипс в Париже гипс нашел свое основное применение. Обычная стеновая плита и стеновая плита type-x с его огнестойкими характеристиками составляют более трех четвертей рынка кальцинированного гипса.Стеновые плиты используются для внутренних стен наших домов, школ и других зданий. Незначительное использование кальцинированного гипса включает стоматологический гипс, моделирующие слепки, формы, хирургические слепки и буровые растворы. Автомобильные и аэрокосмические инженеры используют гипс для создания форм для изделий. Сломанную руку удерживают на месте, пока она выздоравливает, оборачивая ее марлевыми повязками, смоченными в гипсе.

Гипс, урановый рудник Мадаваска, Бэнкрофт, Онтарио. Донор: шахта Мадаваска. Собрание Музея наук о Земле Университета Ватерлоо.

Натуральный гипс используется в качестве наполнителя в бумаге и хлопке, в красках и в качестве добавки к цементу, контролирующей время схватывания. Почвы, обработанные гипсом, впитывают и содержат больше воды, чем необработанные почвы, тем самым производя более здоровые растения. Урожай также дольше портится после сбора урожая. Срок хранения растений, обработанных гипсом, продлевается на две и более недели. Грибы, продаваемые в супермаркетах, выращивают на грядках из компоста, усиленного гипсом. Гипс способствует росту необходимых грибам аэробных бактерий.На землю наносят гипс, чтобы растения арахиса получали достаточно кальция для развития нормальных ядер. Гипс также используется в качестве флюса при плавке никелевых руд.

Мы все едим 28 фунтов (12,68 кг) гипса в качестве пищевых добавок! Мороженое, пиво, спагетти, витамины и другие таблетки содержат небольшое количество гипсового наполнителя. Гипс — это коагулянт в тофу, соевом твороге. Гипс добавляют в обогащенную муку, из которой делают хлеб и крупы. Разрыхлитель, дрожжи, кондиционеры для хлеба, консервированные овощи и искусственно подслащенные желе и консервы содержат гипс.Гипс классифицируется как «безопасная» добавка для использования в пищевых продуктах и ​​фармацевтических препаратах.

Розетки залегают в слое ледниковой глины. Гипс в глине мог образоваться в результате отступления озера Агассис или, возможно, возник из подземных отложений юрского гипса, расположенных к западу от Виннипега. Розетки не обнаруживаются равномерно распределенными по берегам паводка, но встречаются небольшими «стручками» с высокой концентрацией в определенных областях паводка.Внутри стручков наблюдается горизонтальная полосатость розеточных форм, которая может отражать изменения проницаемости глин, а также влияние глубины и неблагоприятных условий роста ближе к поверхности.

• Мелки
• Буровые растворы
• Удобрение
• Формы для литья
• Китайские блюда
• Стоматологическое оборудование
• Искусственные зубы
• Серебро
• Металлические детали машин
• Флюс для выплавки никеля
• Пищевая добавка
• Ингредиент марли медицинской
• Подходящий ингредиент наконечника
• Портландцемент (в качестве добавки, помогающей контролировать время схватывания)
• Парижский гипс (используемый для скульптур, форм, декораций и декораций, тематических парков)
• Пластина класса изготовления (полировка)
• Ингредиент зубной пасты
• Стеновая плита

Гипс.Мина-ла-Платоза, муниципалитет Бермехильо-де-Мапини, Эстад-де-Дуранго, Мексика. Собрание Музея наук о Земле Университета Ватерлоо.

5 фактов о гипсе, которых вы не знали

Гипс, также известный как гидрат сульфата кальция, представляет собой природный минерал, обнаруживаемый в слоях осадочных пород по всему миру. Он образуется в результате испарения и пополнения вод, содержащих кальций и сульфаты.

Гипс белого или серого цвета можно измельчить в мелкий порошок и кипятить до тех пор, пока не будет удалена большая часть его влаги — процесс, известный как прокаливание.Добавление воды обратно к этому порошку создает гибкое вещество, которому можно придать форму или форму, и оно будет затвердевать, чтобы удерживать эту форму, или вещество можно добавить к другим материалам, чтобы связать их вместе.

Из-за своих связывающих способностей гипс является основным ингредиентом некоторых зубных паст. Он также используется как гипс для создания хирургических слепков; в качестве добавки во многие продукты, такие как овощные консервы, мороженое и тофу; а также в качестве добавки, кондиционера и удобрения для сельскохозяйственных целей.

Другие применения гипса:

• Для осаждения частиц в прудах
• Для варки пива и медовухи
• Для создания гипсокартона, стеновых и гипсокартонных плит.
• Для крепления теннисного корта глиной
• В качестве форм для столовой посуды, автомобильных окон и слепочных пластырей
• В качестве упрочняющего элемента в портландцементе
• На дорогах и шоссе
• Как мел для тротуаров или в классе
• В продуктах для волос, таких как шампунь и кремы
• И многое, многое другое.

Хотя гипс играет важную роль в нашей жизни и содержится во многих наших домах, в продуктах питания и гигиенических продуктах, многие люди мало знают об этом минерале или даже о том, что он вообще существует. Вот несколько малоизвестных фактов об этом минерале, которые для многих остаются загадкой.

1. Он был звездой многих ранних фильмов

До эры компьютерных изображений первые голливудские кинематографисты использовали ряд веществ для создания искусственного снега на съемочной площадке, включая хлопок, кукурузные хлопья и мыльные хлопья.Они также использовали остриженный гипс, чтобы имитировать вид настоящего снега.

Но снег — не единственная роль, которую гипс сыграл на киноэкранах. Одна из его постоянных ролей — создание декораций.

Поскольку гипс широко используется при производстве тротуаров, само собой разумеется, что этот минерал мог быть зацементирован на Голливудской аллее славы. Звезды сделаны из терраццо, которое состоит из мраморной крошки, гранита, кварца или стекла и залито на бетонное основание. Бетон часто связывают портландцементом, чтобы он мог затвердеть, а гипс является элементом портландцемента.

2. Найден в египетских пирамидах

Когда египтяне узнали, что гипс можно превратить в гипс путем его измельчения и добавления воды, они использовали его повсюду внутри своих дворцов, пирамид и гробниц. Гипс, сохранившийся тысячи лет спустя, оказался прочным строительным материалом.

3. Назван древними греками

Название «гипс» происходит от древнегреческого слова «гипсос», что означает гипс. Древние греки использовали гипс в окнах своих храмов из-за эффекта лунного света, который он создавал на алтарях, когда сквозь них светило солнце. Древние греки назвали эту форму гипса «селенит» в честь своей богини луны Селены, и это имя прижилось все эти годы.

4. Бен Франклин использовал гипс на своей ферме

Бенджамин Франклин был одним из первых людей в США, использовавших гипс. Он назвал это «наземная штукатурка» и применил ее на своей ферме для кондиционирования почвы. Эта наземная штукатурка все еще используется в сельском хозяйстве сегодня, чтобы обеспечить источник питания растений, улучшить структуру почвы и уменьшить сток, среди других преимуществ.

5. Стены с гипсовым покрытием обеспечивают противопожарную защиту

Стены и потолки многих домов покрыты гипсокартоном, потому что его легко установить и просто покрыть слоем краски. Но гипсокартон, который сделан из гипсовой штукатурки, предлагает домовладельцам еще одно преимущество, помимо простоты отделки, — он обеспечивает защиту в случае пожара.

Поскольку гипс содержит воду, он не нагреется выше 212 ° F в случае пожара в доме. Вода в гипсе будет выпущена в виде пара, а температура гипсокартона останется на уровне 212 ° F, пока вся вода не испарится. Хотя гипс не является огнестойким, он на время защитит конструкцию дома от повреждений.

Как обрабатывается гипс?

Гипс в естественном состоянии представляет собой руду, которую часто находят слоями из известняка.Его высвобождают из своего естественного состояния чаще всего путем открытых горных работ. Чтобы привести гипсовую руду в состояние, в котором ее можно было бы продавать для различных целей, ее измельчают до размеров с помощью DDC-Sizers, Feeder-Breaker, Hammermill Crusher, Щековые дробилки или Валковые дробилки и складывают для дальнейшей обработки.

Макланахан DDC-Sizer.

Измельченный гипс просеивается с помощью вибрационных грохотов для разделения по размерам для различных целей. Один размер грохота может быть продан как замедлитель схватывания цемента, а другой размер может храниться для дальнейшей обработки.Дальнейшая обработка включает сушку руды для удаления лишней влаги, а затем измельчение ее до мелкого порошка, известного как наземная штукатурка. Земельный гипс собирается в гидроциклоне, выгружается на конвейер и складывается для продажи в качестве кондиционера почвы.

Для создания штукатурки наземную штукатурку нагревают горячими газами либо непосредственно в декарбонизаторе, либо косвенно в декарбонизаторе, чтобы удалить большую часть химически связанной воды. Штукатурку можно дополнительно измельчить и смешать с замедлителями схватывания для создания штукатурки, или ее можно смешать с сухими добавками, водой, измельченной бумагой, ускорителями и мыльной пеной; намазать в форме; и высушен в печи для изготовления стеновых панелей.

Гипс вокруг нас

В следующий раз, когда вы будете сидеть дома, играть в теннис, чистить зубы, мыть голову или даже просто гулять по тротуару, подумайте о том, как все это возможно из-за малоизвестного минерала, называемого гипсом.

Теги: Добыча, Скрининг, Дробление, Агрегаты, Минералы

Гипс — минеральные и лечебные свойства

Химия: CaSO4-2 (h3O), гидратированный сульфат кальция

Класс: Сульфаты

Подкласс:

Использование: Штукатурка, стеновая плита, некоторые цементы, удобрения, краска

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, чтобы приобрести гипсовые изделия Kidz Rocks.

• Гипс
• Гипс Кристалл
• Наика Майн Мексика

Гипс — один из наиболее распространенных минералов в осадочных средах. Это основной породообразующий минерал, образующий массивные пласты, обычно в результате осадков из сильно соленых вод. Поскольку гипс легко образуется из соленой воды, он может иметь много включений других минералов и даже пузырьков воздуха и воды.

Гипс имеет несколько наименований разновидностей, которые широко используются в торговле минералами.«Селенит» — это бесцветная и прозрачная разновидность, которая имеет жемчужный блеск и была описана как имеющая лунное свечение. Слово селенит происходит от греческого слова Луна и означает лунный камень. Другая разновидность — это компактный волокнистый заполнитель, называемый «атласный лонжерон». Эта разновидность имеет очень атласный вид, который дает игру света вверх и вниз по волокнистым кристаллам. Мелкозернистый массивный материал, называемый «алебастр», является декоративным камнем, который веками и даже веками использовался в тонкой резьбе.

Кристаллы гипса могут быть чрезвычайно бесцветными и прозрачными, что сильно контрастирует с их наиболее распространенным использованием в гипсокартоне. Кристаллы тоже могут быть довольно крупными. Гипс — это естественный изолятор, который на ощупь теплый по сравнению с более обычным кристаллом горного камня или кварца. Листы прозрачных кристаллов можно легко отделить от более крупного образца.

Название «Гипс» происходит от греческого слова «гипсос», что означает «гипс». Гипс происходит от греческого слова «гипс», что означает «обожженный минерал».

Крупнейшее месторождение гипса в мире — Национальный памятник Белые пески в Нью-Мексико. Здесь более 275 квадратных миль движущихся гипсовых песчаных дюн покрывают этот район. Гипс использовался коренными американцами еще 3000 лет назад для изготовления белых пигментов, которыми они украшали керамику, вигвамы, краски для тела и щиты. Египтяне использовали гипс в качестве материала для швов в памятниках, построенных ими более 5000 лет назад.

Кристаллы гипса могут быть очень большими — одними из самых больших на всей планете.Пещера в Наике, Мексика, содержит кристаллы размером до 4 футов в диаметре и 50 футов в длину. По-видимому, идеальные условия для медленного роста гипса поддерживались в течение тысяч лет, позволяя кристаллам вырастать до огромных размеров.

В начале девятнадцатого века это считалось почти чудесным удобрением. Американские фермеры были настолько озабочены его приобретением, что возникла оживленная контрабандная торговля с Новой Шотландией, что привело к так называемой «штукатурной войне» 1812 года. северная полярная область Марса.

Прозрачная форма гипса (селенит) использовалась для окон до того, как было создано стекло.

Гипс является обычным минералом с мощными и обширными пластами эвапоритов в ассоциации с осадочными породами. Известно, что отложения залегают в пластах еще в архейском эоне. Гипс откладывается из озерной и морской воды, а также из горячих источников, из паров вулканов и сульфатных растворов в жилах. Гидротермальный ангидрит в жилах обычно гидратируется до гипса подземными водами в приповерхностных обнажениях.

Коммерческие количества гипса находятся в городах Арарипина и Граджа, Бразилия, Пакистан, Ямайка, Иран (второй по величине производитель в мире), Таиланд, Испания (основной производитель в Европе), Германия, Италия, Англия, Ирландия, в Британской Колумбии, Манитобе, Онтарио, Новой Шотландии и Ньюфаундленде в Канаде, а также в Нью-Йорке, Мичигане, Индиане, Техасе (в каньоне Пало-Дуро), Айове, Канзасе, Оклахоме, Аризоне, Нью-Мексико, Колорадо, Юте, Арканзасе и Невада в США. Есть также большой открытый карьер, расположенный в Пластер-Сити, Калифорния, в Имперском графстве и в Восточном Кутае, Калимантан.Несколько небольших шахт также существуют в таких местах, как Каланни в Западной Австралии, где гипс продается частным покупателям для изменения уровня pH почвы в сельскохозяйственных целях.

Гипс — один из наиболее широко используемых минералов в мире. Большинство из них используется для изготовления стеновой доски, также известной как листовой камень. Подсчитано, что средний американский дом содержит семь метрических тонн гипса. Гипс также добавляется в бетон для усиления материала, поэтому его можно использовать в бетоне для дорог, мостов и тротуаров, и это лишь некоторые из них.Гипс также можно использовать в качестве удобрения, добавляя его непосредственно в почву. Это увеличивает продуктивность земли. Его можно добавлять в краску в качестве наполнителя. Применяемый таким образом гипс необходимо сначала измельчить в порошок и высушить.

Считается, что первые применения гипса были для скульптур. Алебастр — это мягкая твердая форма гипса, которая хорошо переносит резьбу, поэтому из него можно было вырезать множество предметов различной формы. 5000 лет назад египтяне научились превращать гипс в то, что мы сейчас называем гипсом Парижа, и использовали его для облицовки стен своих жилых помещений.Они обнаружили, что если гипс измельчить в мелкий порошок и высушить, то позже можно будет добавить воду, перемешать и использовать в качестве цемента. Гипс содержит большое количество воды, что придает ему огнезащитные свойства. Это важно, потому что это даст некоторую защиту от пожаров в доме. Это также важно, потому что его можно использовать в качестве форм, позволяя разливать расплавленные металлы и формировать их внутри. Плитку в ванной чаще всего крепят к стене с помощью гипсового раствора.Тарелки, чашки и блюдца из нашей кухни, скорее всего, были залиты в гипсовую форму. Как мы видим, применение гипса практически безгранично.

Защитный камень Селенит защищает человека или пространство от внешних воздействий. Селенит может вызывать защиту из царства ангелов, а также рассеивает негативную энергию. Мощные энергии селенита помогают соединиться со своими наставниками, хранителями, Христосознанием и Высшим Я. Селенит можно держать или помещать вокруг человека, чтобы облегчить такую ​​связь.

Селенит успокаивает и успокаивает, принося глубокий покой и чувство умиротворения. Используйте Selenite в сетке вокруг вашего дома или в углах комнаты, чтобы создать безопасное и спокойное пространство. Медитация с селенитом помогает получить доступ к прошлым и будущим жизням. Селенит приносит ясность ума, устраняет путаницу и раскрывает более широкую картину любой проблемы. Селенит — это кристаллизованная форма гипса, который используется для удачи и защиты. Мощная вибрация селенита может очищать, открывать и активировать коронную и высшие чакры и отлично подходит для всех видов духовной работы.Селенит также можно использовать для укрепления памяти.

Физически Селенит снимает энергетические блоки с физического и эфирного тел. Он может обратить вспять действие свободных радикалов, чтобы излечить и восстановить на клеточном уровне. Селенит связан с позвоночником и скелетной системой. Селенит можно использовать для решения проблем с пломбами Mercury в стоматологической работе. Селенит хорош и для грудного вскармливания.

Цвет: Белый, бесцветный или серый, но может иметь оттенки красного, коричневого и желтого

Блеск: Стекловидный до жемчужного, особенно на поверхностях спайности

Прозрачность: Кристаллы от прозрачного до полупрозрачного

Кристалл Система: Monoclinic; 2 / м

Crystal Habits: Табличные, плоские или блочные кристаллы с наклонным контуром параллелограмма.На гранях пластинчатых кристаллов преобладают грани пинакоидов с выступающими гранями призм. На длинных тонких кристаллах видны изгибы, а некоторые образцы изгибаются в спирали, называемые «селенитом из рога барана». Распространены два типа двойникования: один дает «двойник с копьевой головкой» или «двойник с ласточкиным хвостом», а другой тип дает «двойник в виде рыбьего хвоста». Также массивный, твердый, зернистый, землистый и волокнистый.

Раскол: Хороший в одном направлении и отчетливый в двух других

Излом: Неровный, но редко наблюдаемый

Твердость: 2

Удельный вес: 2.3

Полоса: Белый

Сопутствующие полезные ископаемые: галит, кальцит, сера, пирит, бура и многие другие.

Индикаторы наилучшего поля: Форма кристаллов, гибкие кристаллы, спайность и твердость

Как гипс превращается в стеновую плиту

Гипс — обзор | Темы ScienceDirect

Гипс

Гипс является наиболее часто используемой добавкой для мелиорации натриевых почв и для снижения вредного воздействия оросительных вод с высоким содержанием натрия из-за его растворимости, низкой стоимости и доступности.Гипс, добавленный в натриевую почву, может вызвать изменения проницаемости за счет увеличения ЕС и эффектов катионного обмена. Относительная значимость двух эффектов представляет интерес по нескольким причинам. Если эффект электролита достаточно высок, чтобы предотвратить диспергирование и набухание почвенных глин, может оказаться целесообразным поверхностное нанесение гипса. В этом случае необходимое количество гипса зависит от количества применяемой высококачественной воды и скорости растворения гипса. Это в некоторой степени не зависит от количества обменного Na в почвенном профиле.И наоборот, в почвах, где эффект EC недостаточен из-за высокого уровня ESP или для получения постоянного улучшения, необходимое количество гипса зависит от количества обменного Na в выбранной глубине почвы.

Польза гипса для рекультивации натриевых почв зависит не только от инфильтрационных характеристик почвы, но и от свойств растворения гипса. Основным механизмом, с помощью которого гипс влияет на ИК-излучение почв, подвергающихся воздействию дождевой воды, является его растворение и выделение электролитов в почвенный раствор.Скорость растворения гипса является важным фактором инфракрасного излучения из-за короткого времени контакта между дождевой водой и частицами гипса на поверхности почвы. Некоторые из факторов, влияющих на скорость растворения гипса, — это площадь поверхности частиц гипса, скорость воды в почве во время выщелачивания и состав электролита в почвенном растворе.

Источник гипса, норма внесения и размер частиц — все это влияет на образование корки и ИК (рис. 2). Хотя IR для почвы без гипса резко уменьшается по мере увеличения кумулятивного количества осадков, IR остается относительно высоким в присутствии фосфогипса (PG), тогда как эффективность добытого гипса (MG) в отношении IR значительно ниже.Более высокая эффективность PG в поддержании высокого IR объясняется его высокой скоростью растворения (таблица 1). Применение гипса на натриевых известковых почвах очень эффективно для снижения поверхностного стока в полевых условиях (Таблица 2). Распространение гипса по почве более эффективно, чем его перемешивание в верхних 10 см почвы. Хотя гипс очень мало влияет на ЭСО почвы в верхнем слое 0-15 см (Таблица 3), он имеет большое влияние на IR (Рисунок 2). Гипс оказывает значительное влияние на степень эрозии почвы.Эффективность выше, когда частицы гипса распределяются по почве, а не смешиваются с верхними 10 см почвы. Присутствие гипса на поверхности почвы увеличивает стабильность почвы за счет увеличения EC в перколированном растворе и уменьшения ESP. Такое влияние гипса на эрозию почвы происходит по двум причинам: (1) уменьшение стока за счет увеличения IR и (2) изменение коэффициента эрозии. Эродируемость почвы в основном связана со стабильностью почвенных агрегатов и силами сцепления, удерживающими агрегаты вместе.

Рис. 2. Влияние промышленного и добытого гипса (в количествах и размерах фрагментов, как указано) на скорость инфильтрации лессовой почвы в зависимости от совокупного количества осадков. (По материалам Keren R и Shainberg I. (1981) Эффективность промышленного и добытого гипса при рекультивации натриевой почвы — скорость растворения. Журнал Американского общества почвоведов 45: 103–107, с разрешения.)

Таблица 1. Коэффициенты растворения промышленного гипса K _(PG) и добытого гипса K _(MG) с различными размерами фрагментов

Адаптировано из Keren R и Shain 1981 ) Эффективность промышленного и добытого гипса при рекультивации натриевого грунта — скорость растворения. Журнал Американского общества почвоведения 45: 103–107, с разрешения.

Таблица 2. Поверхностный сток с лессовых почв при двух уровнях процентного содержания обменного натрия (ESP) во время ливней под воздействием фосфогипса (PG)

По материалам Keren R, Shainberg I, Frenkel H, and Kalo Y (1983) Влияние обменного натрия и гипса на поверхностный сток из лессовых почв. Журнал Американского общества почвоведов 47: 1001–1004, с разрешения.

Таблица 3. Процент обменного натрия (ESP) в профиле натриевой лессовой почвы под воздействием обработки гипсом

ЦИК, катионообменная емкость.

По материалам Керен Р., Шайнберг И., Френкель Х. и Кало Ю. (1983) Влияние обменного натрия и гипса на поверхностный сток с лёссовой почвы. Журнал Американского общества почвоведов 47: 1001–1004.

Однако для достижения постоянного улучшения наиболее важен эффект катионного обмена.Количество обменного натрия, подлежащего замене во время рекультивации, зависит от исходного ESP (ESP _i ), емкости катионного обмена (CEC; в молях заряда катионов на мегаграмм), объемной плотности почвы ( ρ _b ; дюйм мегаграмм на кубический метр), желаемой конечной обменной фракции натрия (ESP _f ) и глубины почвы, подлежащей рекультивации ( L ; в метрах). После определения вышеуказанных параметров количество заменяемого Na на единицу площади земли ( Q _Na ; в молях заряда катионов на гектар) можно рассчитать по формуле:

[2] QNa = 104Lρb (CEC) (ESPi − ESPf)

Значение ESP _f зависит от реакции почвы с точки зрения ее физических условий.

Количество гипса, необходимое для рекультивации натриевой почвы, в метрических тоннах на гектар, можно рассчитать по формуле [3]:

[3] GR = 8,61 × 10-5QNa

Эффективность и скорость обмена, а именно процент нанесенного Ca, который обменивается на адсорбированный Na, изменяется в зависимости от ESP, будучи выше при высоких значениях ESP. Удаление Na при уровнях ESP ниже 10 происходит медленно, а часть нанесенного Ca вытесняет обменный Mg, так что эффективность снижается примерно до 30%. Эффективность также может быть низкой (20–40%) в мелкозернистых почвах из-за медленности обмена Na внутри структурных единиц.

Как правило, проникновение воды в почву слишком низкое, чтобы обеспечить рекультивацию натриевых почв за одну промывку. Например, вода на глубину 50 см, применяемая для выщелачивания, может растворить только около 12 мг / га ^-1 гипса (достигая раствора насыщения по отношению к гипсу). Следовательно, применение более крупного гипса не будет эффективным, если проникновение влаги в почву не будет достаточным для более крупных поливов. Таким образом, натриевая почва обычно может быть восстановлена ​​только на небольшую глубину в первый год (в зависимости от глубины воды, используемой для выщелачивания), но это часто позволяет выращивать мелкокорневую культуру после выщелачивания (Рисунок 3).Впоследствии можно применять ежегодные поправки и объемы выщелачивания для восстановления всего профиля в течение нескольких лет.

Рис. 3. Окончательное распределение уровней обменного Na в зависимости от глубины почвы в результате мелиоративных обработок для (а) обработки без возделывания и (б) возделываемых культур. LSD, наименее значимая разница; NS, значения не имеет. (Адаптировано из Robbins CW (1986) Мелиорация натриевых известняковых почв под воздействием различных поправок и культур. Agronomy Journal 78: 916–920, с разрешения.)

При оценке количества наносимого гипса мало внимания уделялось возможности того, что включение большого количества гипсового порошка в почву может вызвать временное снижение содержания углеводородов, поскольку избыточные мелкие частицы гипса могут блокировать проводящие поры на ранней стадии. стадия процесса растворения.

Почвенный раствор в слое гипса достигает равновесия (при наличии избытка гипса) только тогда, когда время контакта между элементарным объемом раствора и поверхностью частиц гипса достаточно велико, или когда площадь поверхности фрагментов гипса на объем вода достаточно большая.Некоторые из факторов, влияющих на скорость растворения гипса, — это площадь поверхности частиц гипса, скорость воды в почве во время выщелачивания и состав электролита в почвенном растворе.

Скорость растворения гипса записывается как:

[4] (dC / dt) = k (Cs − C)

, где d C / d t — чистая скорость растворения, k — коэффициент растворения, а C _s и C представляют собой концентрацию раствора при насыщении и в момент времени t , соответственно.Увеличение скорости потока раствора увеличивает коэффициент скорости растворения, но уменьшает время контакта между гипсом и текущим раствором; чистый эффект — уменьшение скорости растворения с увеличением скорости потока почвенного раствора.

Интегрирование уравнения [4] дает:

[5] −ln (1 − CCs) = kt

Поскольку толщина неподвижной пленки раствора вокруг частиц гипса изменяется в зависимости от скорости грунтовой воды, коэффициент скорости растворения для данная поверхность частицы гипса также изменяется.Таким образом, линии, полученные из уравнения [5], не являются линейными. Левая часть уравнения [5] эмпирически связана с квадратным корнем из времени:

[6] −ln (1 − CCs) = αt1 / 2 + β

, где α и β равны наклон и пересечение, соответственно, и t — это время, за которое приращение раствора покидает заданную глубину почвы:

[7] t = LV

, где L — длина слоя грунта-гипса смеси, а V — скорость воды в почве.Комбинируя уравнения [6] и [5] и вводя уравнение [7], получаем:

[8] k = (V / L) 1/2 [α + (V / L) 1 / 2β]

Коэффициент скорости растворения как функцию скорости потока воды можно оценить для данной площади поверхности гипса. Поскольку проницаемость натриевого грунта низкая, скорость растворения на начальном этапе рекультивации относительно высока. Однако в процессе регенерации проницаемость увеличивается, а скорость растворения снижается. Таким образом, почва регулирует скорость растворения гипса при рекультивации.Когда можно контролировать скорость потока воды в почвах (например, при орошении дождеванием), предпочтительны пониженные скорости для увеличения скорости растворения гипса и большей эффективности реакции катионного обмена из-за увеличения времени контакта между водой и частицами гипса (Рисунок 4 ).

Рис. 4. Распределение процентного содержания обменного натрия в зависимости от глубины почвы в зависимости от скорости движения воды в почве для данного количества растворенного гипса. (По материалам Керен Р. и О’Коннор Г.А. (1982) Растворение гипса и рекультивация натриевой почвы в зависимости от скорости потока воды. Журнал Американского общества почвоведения 46: 726–732, с разрешения.)

Несколько хроматографических моделей использовались для моделирования рекультивации натриевых почв с помощью гипса. Модели включают многие известные химические реакции, происходящие в естественных почвах в результате растворения CaCO ₃ и CaSO ₄ , выщелачивания солей и реакций ионного обмена. Эти модели прошли полевые испытания на данных участков мелиоративного выщелачивания натриевых почв. Разница между измеренными и вычисленными результатами — это не более чем горизонтальные вариации, обычно встречающиеся на засоленных землях.Эти модели предоставляют мощные инструменты для количественного прогнозирования воды и гипса, необходимых для восстановления профилей почвы до заданных уровней засоления и ЭСП.

В другом подходе, источник растворения гипса был введен в стационарную модель переноса растворенных веществ. Однако при согласовании рассчитанных кривых концентрация-время с экспериментальными данными колонки возникли значительные трудности. Модели смешиваемого вытеснения в сочетании с моделями химических реакций дают представление о процессах рекультивации.Однако они не нашли широкого применения в этой области, поскольку для их решения требуются обширные данные, специфичные для конкретного объекта.

Из литературы ясно, что предположение о химическом равновесии растворения гипса может быть неприменимо к моделированию мелиорации почвы. Другой подход заключается в объединении кинетики растворения гипса и обменно-катионных реакций с моделью переноса соли.

Геологическая служба штата Индиана

Камни и минералы — Гипс — товар

Рис.1
А. Изображение массивного гипса
Б. Изображение атласного шпата
C. Изображение ангидрита

Глубоко под неровной поверхностью графства Мартин в Индиане люди работают в двух подземных рудниках, чтобы добывать и обрабатывать необычный минеральный ресурс. — гипс. Гипс (CaSO ₄ * 2H ₂ O) — это мягкий водорастворимый минерал, который перерабатывается для изготовления важных строительных материалов, особенно стеновых плит. Гипс преимущественно массивная (рис.1A), но также образует шелковистый атласный лонжерон (рис. 1B). Иногда его смешивают с родственным минералом, ангидритом (рис. 1С). Гипс был отложен из древней морской воды, которая испарилась во время Миссисипи 300 миллионов лет назад. Гипсовые кровати толщиной более 20 футов находятся в известняках и доломитах известняков Сент-Луиса (рис. 2).

Фиг.2
Стратиграфия выделения гипса

Горняки вырубили огромные рудники (рис.3) несколько сотен футов ниже поверхности в округе Мартин, недалеко от Шолса, Индиана. Водители по государственному маршруту 50, к востоку от Шолса, можно увидеть огромные белые склады гипса, готовые к переработке.

На поверхности гипс измельчается, а затем нагревается, чтобы отогнать гидратационные воды. Полученный порошок можно смешать с водой для образования гипса. Париж, который можно заливать и лепить. Смесь помещается между бумажными крышками и нагревается до образования обшивки.Длинные ленты из стеновых панелей подвергаются калибровка, придание формы (рис. 4), а затем сушка для изготовления превосходных американских стеновых панелей, используемых для отделки внутренних помещений в миллионах американских домов, предприятий, и другие постройки.

Гипс также входит в состав цемента и других строительных материалов. Гипс также используется как отделочный состав, как грунт. добавки и даже в составе некоторых продуктов.

Примеси в гипсовых пластах включают доломит, известняк и сланец, а также минералы ангидрит (рис.1С), доломит, глины, пирит, целестин и кварц.

Фиг.3
Шахтные работы — машины

Кристаллизационная вода гипсовых пород является важным источником воды для растений

Место исследования и виды

Полевые записи были сделаны в обнажениях почти чистого гипса между Вильямайором и Альфахарином, в 2–8 км к востоку от Сарагосы, в долине Среднего Эбро, Северо-восточная Испания (41 ° 37’49»N 0 ° 41’18»W, на высоте 320 м над уровнем моря).Преобладающий субстрат в этой области — гипс с небольшими вставками тонких выходов мергелей и глин ³⁴ . Почти чистые мукообразные гипсовые почвы (с содержанием гипса обычно> 60–70%), такие как те, которые включены в это исследование, являются особенно стрессовыми зонами из-за их низкого водоудержания и плодородия ¹² . Климат полузасушливый и очень сезонный, со средней годовой температурой 14,6 ° C и среднегодовым количеством осадков 326 мм, выпадающих в основном весной и осенью ³⁵ (дополнительный рис.4).

Для исследования был выбран вид H. squamatum (L.) Pers (Cistaceae), небольшой (10–30 см) вечнозеленый древесный полукустарник, который в основном распространен в восточной половине Пиренейского полуострова. с дополнительными населенными пунктами в Северном Алжире ³⁶ . Произрастает исключительно на гипсовых почвах и считается диагностическим видом гипсовой растительности Пиренейского полуострова ^37,38 . Он показывает замедленную фенологическую картину: рост побегов происходит с марта по май, а цветение — с мая по август. ¹³ .Его корневая система неглубокая, с максимальной глубиной корней 65 см, а самые тонкие корни находятся в верхних 25 см почвы. ¹¹ . Чтобы исследовать общность наших результатов, мы проанализировали еще три вида с мелкими корнями, которые сосуществуют с H. squamatum в исследуемой области. К ним относятся: специалист по гипсу Lepidium subulatum L. и неспециалисты: Linum suffruticosum L. и Helianthemum syriacum (Jacq.) Dum. Cours. Все они представляют собой небольшие древесные полукустарники с архитектурой, похожей на H.squamatum и поверхностные корневые системы ¹¹ . Из-за неглубоких корней и предпочтительного распространения на склонах гипсовых холмов эти виды не имеют доступа к грунтовым водам ¹² . Следовательно, дождевая вода или роса, хранящаяся в виде свободной воды в почве, и кристаллизационная вода гипса являются для них единственными потенциальными источниками воды.

Отбор проб растений и почвы для изотопного анализа

Отбор проб для изотопного анализа проводился весной (24 мая) и летом (28 августа) 2012 г.В каждую дату отбора проб собирали основные стебли (включая верхнюю часть грубого корня) пяти особей исследуемых видов. Для выборки были отобраны энергичные особи среднего размера, расположенные на расстоянии не менее 5 м друг от друга. Чтобы максимизировать репрезентативность ксилемной воды как индикатора источников воды, используемых растениями, и минимизировать риск испарения стеблевой воды, сбор урожая проводился в середине утра (7–9 часов солнечного времени), когда ожидается максимальная скорость транспирации в сухая среда ³⁹ , а потребность в испарении низкая ²⁰ .Кора и флоэма соскребали со стеблей ножом, чтобы избежать испарения поверхности стебля и загрязнения органическими соединениями, присутствующими в живых клетках и / или коре ¹⁶ . Образцы почвы были взяты из почвы в непосредственном контакте с вынутыми корнями растений на двух разных глубинах: 0–10 см и 10–20 см. У всех отдельных собранных растений большая часть тонких корней находилась в верхних 20 см почвы, следуя стандартной схеме распределения их соответствующих видов.Сразу после сбора урожая образцы стеблей и почвы помещали в отдельные герметичные герметичные пробирки для сортов (Duran GL18), немедленно замораживали в поле сухим льдом и хранили замороженными до дистилляции.

Водная экстракция

Ксилему и почвенную воду экстрагировали методом криогенной вакуумной дистилляции ¹⁶ в лаборатории Silvicuture Университета де Лерида. Пробирки для образцов помещали в нагретую ванну с силиконовым маслом и соединяли с помощью штуцеров Ultra-Torr (Swagelok Company, Солон, Огайо, США) с вакуумной системой ( ~ .10 ⁻² мбар), включая последовательно включенные U-образные водоотделители, охлаждаемые жидким N ₂ . По истечении 2 часов экстракции уловленную воду переносили во флаконы объемом 2 мл, закрытые крышкой, и хранили при 4 ° C до анализа. Согласно предыдущим испытаниям, для полной отгонки ксилемной воды и свободной воды в глинистых почвах требуется 40–90 мин, но для образцов песчано-известковых грунтов достаточно более короткого времени. ^40,41 .

Температура ванны варьируется в зависимости от типа извлекаемой воды.Ксилемную воду подвергали прямой дистилляции при 120 ° C, тогда как ступенчатую дистилляцию проводили в гипсовых почвах сначала при 35 ° C, затем при 120 ° C. Предварительные испытания с подмножеством образцов почвы различного происхождения показали, что при промежуточной температуре (50 ° C) можно было извлечь часть кристаллизационной воды, но показали противоречивые значения, что свидетельствует о неполной дистилляции со свободной водой (дополнительный рис. 5). Это было проверено как на естественных, так и на маркированных образцах почвы. В качестве естественных образцов мы использовали почвы из горшков, использованных в эксперименте по засухе (собранные вместе с растениями в мае 2013 г., подробности см. Ниже), образцы, взятые сразу после эксперимента или после сушки в течение 3 недель в условиях окружающей среды, а также два дополнительных образца почвы. собраны на исследуемой территории в марте-апреле 2013 г.Способность метода разделять свободную и кристаллизационную воду также оценивалась с образцами, в которых кристаллизационная вода была помечена водой с известным изотопным составом (дополнительный рис. 5b). Для получения этих модифицированных образцов гипсового грунта мы обезвоживали природный гипсовый грунт при 120 ° C в течение 3 дней, чтобы преобразовать гипс в бассанит и ангидрит путем обезвоживания. Затем мы повторно гидратировали бассанит до гипса путем инкубации в течение 3 дней в воде с известным изотопным составом, включая: снежную воду ( δ ¹⁸ O = -15.00 ‰, δ ² H = −53,94 ‰), кипяченая вода ( δ ¹⁸ O = + 0,23 ‰, δ ² H = −29,12 ‰) и D ₂ O -меченая вода ( δ ¹⁸ O = -11,57 ‰, δ ² H = + 468,79 ‰), полученная путем приготовления разбавления 1: 10000 D ₂ O (атомы 99%, Sigma-Aldrich ) с водопроводной водой. После регидратации образцы, меченные снегом и кипячением, оставляли сушиться в условиях окружающей среды на 3 дня, а затем отбирали образцы в запаянных стеклянных пробирках, как описано выше, тогда как образцы, меченные D ₂ O, оставляли сушиться в течение 3 недель перед взятием образцов.Исходный изотопный состав материнской воды был рассчитан по измеренным значениям кристаллизационной воды путем применения коэффициентов фракционирования для включения воды в гипс ( α ¹⁸ O = 1,004 (ссылка 42) и α ² H = 0,98, (ссылка 43)):

Во всех испытанных образцах мы обнаружили большие отклонения в свободной воде, что согласуется с ожидаемыми эффектами фракционирования при высыхании почвы. ¹⁵ (дополнительный рисунок 5): значения в пределах линии метеорной воды. в почвах при полевой влагоемкости (контроль), обогащении умеренно сухими образцами (контрольными, засушливыми, снежными и вареными) и истощением очень сухих образцов (засушливыми, D ₂ O-маркированными).Природные образцы показали довольно постоянные значения кристаллизационной воды (дополнительный рис. 5a), тогда как в маркированных образцах кристаллизационная вода варьировалась в зависимости от изотопного состава меченной воды (дополнительный рисунок 5b).

Количество свободной почвенной воды, извлеченной после дистилляции при 35 ° C, значительно варьировалось между датами отбора проб ( F = 14,4, P = 0,004), что указывает на снижение влажности почвы в течение лета. Снижение было более значительным в нижнем грунте (весна = 2.0 ± 1,07%, лето = 0,6 ± 0,07% от сухой массы почвы; F = 8,4, P = 0,04), чем в верхнем слое почвы (весна = 1,3 ± 0,06%, лето = 0,5 ± 0,17% веса сухой почвы; F = 5,3, P = 0,08). Не было обнаружено значительных изменений между датами отбора проб или глубиной почвы в количестве извлеченной кристаллизационной воды ( F = 1,0, P = 0,326). Для образцов почвы в эксперименте с горшком мы также сравнили количество воды, извлеченной при 35 ° C, с содержанием воды в почве (SWC), определенным гравиметрически в горшках (см. Подробности в разделе «Эксперимент с засухой»).Полученная тесная взаимосвязь дополнительно поддерживает полное извлечение свободной воды из почвы после дистилляции ( SWC _{гравиметрический} = 0,8412 × SWC _{дистилляция} +0,0116, r ² = 0,966, N = 10).

Анализы стабильных изотопов

δ ² H и δ ¹⁸ O были определены методом полостной кольцевой спектроскопии (CRDS) в Serveis Científico-Tècnics Университета Лериды (Лерида, Испания) , используя Picarro L2120-i, соединенный с высокоточным испарителем A0211.Для каждого образца в испаритель вводили шесть повторностей по 1 мкл, оставляя последние три ввода для расчета. Общая неопределенность (определенная как стандартная ошибка повторных анализов ( N = 20) эталонного образца, не включенного в калибровку) составила 0,05 и 0,17 ‰ для δ ¹⁸ O и δ ² H , соответственно.

Осенью 2012 года система была модернизирована с помощью модуля микрогорения (MCM), который расположен между испарителем и CRDS.После испарения пробы вся газовая фаза проходит через газ-носитель, в котором в процессе окисления органические вещества преобразуются в мельчайшие количества диоксида углерода и образующейся воды. Все пробы весны анализировались без модуля, а пробы лета анализировались с помощью новой системы.

Несколько исследований показали, что органические загрязнители могут мешать анализу изотопов воды с использованием CRDS ⁴⁴ . Наличие примесей оценивали с помощью программного обеспечения Picarro Chemcorrect 1.2.0, который присваивает показатели, описывающие величину загрязнения, а также потенциальный источник, и включает отметку, указывающую степень загрязнения, с помощью цветового кода: зеленый для незагрязненных образцов, желтый для возможно загрязненных образцов и красный для очень загрязненных образцов. При анализе без модуля MCM ( N = 41) 63,4%, 12,2% и 24,4% образцов были помечены как зеленый, желтый и красный соответственно. Используя модуль MCM ( N = 124), 87,1%, 6,5% и 6.5% образцов были помечены как зеленый, желтый и красный соответственно. Следует отметить, что с MCM только образцов Lepidium показали истинное загрязнение. Другими помеченными образцами были образцы почвы, извлеченные при 50 ° C, которые показали высокое стандартное отклонение из-за недостаточного количества образца в последних инъекциях, и дейтерированные образцы из-за их необычных спектральных характеристик. Хотя исправленные значения не предоставляются напрямую, Chemcorrect также включает исправленные пики для H ₂ ¹⁸ O, HD ¹⁶ O и H ₂ ¹⁶ O, которые можно напрямую преобразовать в значения сырых изотопов, применив заводские настройки. значения калибровки, которые доступны для каждого устройства Picarro.Чтобы проверить надежность MCM и поправок после обработки, была использована подвыборка водных экстрактов из шести образцов почвы и шести образцов ксилемы, выбранных для охвата наблюдаемого диапазона органического загрязнения, для сравнения различных методов: с модулем MCM или без него. и с применением или без применения программной коррекции (дополнительный рис. 6). В качестве эталонных значений образцы были проанализированы масс-спектрометрией изотопных соотношений в лаборатории химии атмосферы (Институт Пауля Шеррера, Виллиген, Швейцария).Аликвоту образца воды объемом 0,6 мкл вводили в элементный анализатор высокотемпературного горения (TC / EA, Thermo Finnigan, Бремен, Германия). При 1450 ° C воду подвергали пиролизу на стеклоуглероде до H ₂ и CO, а затем эти компоненты переносили в потоке гелия на масс-спектрометр (Delta plus XP, Thermo Finnigan). Соотношение изотопов водорода определялось из отношения ² H / ¹ H молекулы H ₂ и отношения изотопов кислорода из отношения ¹² C ¹⁸ O / ¹² C ¹⁶ O молекулы CO.Значения выражены как отклонения в от международного стандарта Венской стандартной средней океанской воды (VSMOW, δ ¹⁸ O, δ ² H). Общая неопределенность измерений была <0,2 ‰ для δ ¹⁸ O и <1,0 ‰ для δ ² H.

Линия местной метеорной воды была рассчитана на основе ежемесячных изотопных данных из Сарагосы за период 2000 г. –2006, опубликовано Глобальной сетью изотопов в осадках ⁴⁵ .

Эксперимент по засухе

24 мая 2013 года 20 растений H. squamatum были сняты с поля (41 ° 41’50»N, 0 ° 44’42»W) и посажены на глубине 0,006 м ^-3 горшков. Растения оставляли для стабилизации на 2 месяца в затененном туннеле с регулярным поливом из-под крана, чтобы почва оставалась влажной. 16 августа 2013 г. половина растений была переведена на контрольную обработку (ежедневный полив до полной емкости поля), а другая половина — на обработку от засухи (без полива). Содержание влаги в почве в горшках оценивали гравиметрически каждый день непосредственно перед поливом и относили к сухому весу горшков, определяемому после сушки при температуре окружающей среды в течение 3 недель.Объемная влажность при ёмкости поля оценивалась исходя из влажности контрольных горшков после полива и дренажа в течение 1 часа. Измерения газообмена проводились с помощью инфракрасного газоанализатора (Walz GFS3000, Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Германия) рано и поздно утром, через 4 и 7 дней после начала обработки. Каждый раз измерения проводили на одной веточке на растение, вставленной в стандартную измерительную головку (объем камеры: 6 см ³ ), снабженную источником света (LED-Array / PAM Fluorometer 3055-FL).Окружающий CO ₂ был установлен на 400 ppm, а скорость потока на 750 моль с ^-1 . Температура, относительная влажность и плотность потока фотосинтетических фотонов в камере были установлены на 20 ° C, 65%, 500 мкмоль м ^-2 с ^-1 ранним утром и 32 ° C, 50%, 1200 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ поздним утром, имитируя внешние условия. Все параметры были пересчитаны на фактическую площадь листьев с использованием уравнений фон Каммерера и Фаркуара ⁴⁶ .Площадь листьев определялась путем получения цифрового изображения, измерения средней площади листьев, расположенных горизонтально в камере (Изображение J 1.42q, Уэйн Расбанд, Национальный институт здравоохранения, США), и умножения ее на общее количество уходит внутри камеры. Площадь листьев на растение определяли путем измерения площади проекции с помощью изображения J и корректировки наблюдаемой взаимосвязи между площадью проекции и фактической площадью (фактическая = 1,4869 × проектируемая + 0,4568, R ² = 0.6144, N = 47, P <0,001). С этими значениями скорость транспирации на листовую площадь была экстраполирована на все растение. 23 августа 2013 г. были собраны растения и измерен свежий и сухой вес (48 часов при 60 ° C) стеблей для оценки общего содержания воды в надземной ксилеме. Среднее время пребывания в ксилемной воде было впоследствии рассчитано как отношение между общим содержанием воды в ксилеме и экстраполированной общей транспирацией на растение.

Расчеты и статистический анализ

Различия в изотопном составе ксилемного сока H.squamatum между сезонами оценивали с помощью общих линейных моделей (GLM) с «сезоном» в качестве фиксированного фактора. Различия в изотопном составе ксилемного сока H. squamatum и сосуществующих мелкокорневых видов были проанализированы с помощью моделей GLM с «видами» и «сезоном» в качестве фиксированных факторов. Различия между сезонами и источниками воды в изотопном составе почвенной воды на поле, а также между датами отбора проб, временем дня и обработками параметров газообмена в горшечном эксперименте были проанализированы с помощью моделей максимального остаточного правдоподобия (REML) с сезон и источники или дата, время дня и лечение, соответственно, в качестве фиксированных факторов.Аналогичным образом, различия в количестве свободной и кристаллизационной воды, извлеченной криогенной дистилляцией, между датами отбора проб и глубиной почвы были проанализированы с помощью моделей REML с «сезоном» и «глубиной» в качестве фиксированных факторов. Для анализа различий в количестве свободной и кристаллизационной воды, извлеченной из каждой глубины отбора проб, модели REML также были запущены с «сезоном» в качестве фиксированного фактора отдельно для каждой глубины почвы. Все модели REML включали «идентификатор растения» в качестве случайного фактора для учета пространственной автокорреляции между образцами почвы, собранными под одним и тем же растением, в случае данных изотопного состава и содержания воды в почве, и эффектами повторных измерений в случае данных из засуха эксперимент.При значимости различия между группами оценивали с помощью апостериорных честно значимых различий — тестов Тьюки. Все данные имели нормальное распределение (по оценке нормальных графиков квантилей с 95% доверительным интервалом Lilliefors), за исключением времени пребывания в воде, которое было логарифмически преобразовано для соответствия нормальности. Однородность дисперсий проверялась визуально путем построения невязок по отношению к факторам ⁴⁷ и применения теста Левена на однородность дисперсий в случае сомнений. Неоднородные данные были проанализированы путем включения вариативной структуры в модели GLM и REML (пакет nmle ⁴⁷ ).Эта структура допускает различные отклонения между разными уровнями категориальных факторов, включенных в модели ⁴⁷ .

Относительный вклад различных источников воды в состав ксилемного сока был оценен с помощью пакета SIAR for R, который решает модели смешивания для стабильных изотопных данных на основе гауссовского правдоподобия с априорной смесью дирихле в среднем ⁴⁸ . Модель использует в качестве входных данных несколько значений изотопов «потребителей» (в нашем случае отдельные значения δ ¹⁸ O и δ ² H для каждого завода), источников (среднее плюс стандартное отклонение) и поправки. матрица для потенциального фракционирования (установлена ​​на 0 для обеих пар изотопов).Мы устанавливаем количество итераций на 500000, размер сжигания на 50 000 и количество прореживания для окончательного вывода на 10 000 итераций. Для расчетов мы использовали две разные функции. Во-первых, мы использовали стандарт «siarmcmcdirichletv4», в котором выход рассчитывается на основе популяции, классифицируя отдельные растения на разные группы (в нашем случае весенние и летние). Команда не позволяет иметь отдельные исходные матрицы для каждой группы и требует как минимум двух групп. Таким образом, мы запускаем модель для двух групп растений, включая весенние или летние источники, но рассматривали только выходные данные для соответствующей группы (весна или лето).Это наиболее рекомендуемый метод, поскольку он учитывает изменчивость популяции при оценке пропорций источника. В качестве альтернативы мы также запускаем функцию «siarsolomcmcv4», чтобы получить отдельные оценки для каждого из растений. Входные данные такие же, но в этом случае расчеты проводились отдельно для каждого растения, включая пять растений в каждом прогоне (весной и летом).