Биогеохимический цикл метана в океане
А.Ю.Леин, М.В.Иванов
На дне океана имеются три основные экосистемы с активными процессами метаногенеза и метанокисле-ния: осадки океана, находящиеся на стадии диагенеза (биогенный метан), области разгрузки метана из древних осадочных толщ континентальных окраин (термогенный) и в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов (абиогенный метан). Мы рассмотрим геохимические особенности этих трех экосистем на конкретных примерах. Всего нами изучено 26 районов океана (табл.).
Наши исследования начались 35 лет назад, когда о геохимической активности метаноге-нов и метанотрофов в океане было известно очень мало. Обнаружение широкого распространения газово-струйных выделений (метановых сипов) и газ-гидратов метана в осадках океана привело к активизации работ по геохимии метана в океане. Главное открытие микробиологических исследований по этой проблеме — крупномасштабный процесс анаэробного окисления СЩ, осуществляемый консорциумом сульфатредуцирую-щих бактерий и метанотроф-ных архей. Важнейшие геохимические последствия этого процесса таковы: уменьшается поток ОТ4 из донных отложений в водную толщу, утяжеляется изотопный состав углерода остаточного метана за счет преимущественного потребления
© А.Ю.Леин, М.В.Иванов, 2010
Алла Юльевна Леин, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН, участник многочисленных экспедиций на научно-исследовательских судах, неоднократно погружалась в подводных аппаратах «Мир». Круг научных интересов охватывает биогеохимические и геохимические исследования процессов, участвующих в цикле углерода и серы.
Михаил Владимирович Иванов, академик, доктор биологических наук, заведующий отделом Института микробиологии ^ .. им.С.Н.Виноградского РАН, около 20 лет
возглавлял этот институт. Область научных интересов — микробная биогеохи-I мня. Лауреат премии С.Н.Виноградского
^^^ -- и премий правительства РФ в области
VI I ..............
12СН4, образуются СО2 и органическое вещество в виде биомассы микроорганизмов и экзометаболитов, осаждаются изотопно-легкие карбонаты.
Ранее широкое распространение получила гипотеза, согласно которой в верхних горизонтах морских осадков микробный мета-ногенез не может происходить, пока большая часть сульфат-иона иловых вод не будет использована сульфатредуцирующими микроорганизмами. Присутствие метана в современных осадках океана авторами данной гипотезы объясняется процессами диффузии метана из более глубоких горизонтов осадков или из нефтяных и газовых месторождений, локализованных в осадочных породах под дном океана.
Отличие наших исследований — экспериментальное изучение вклада метаногенных архей в процессы образования ОТ4 (одного из основных продуктов анаэробных процессов минерализации органического вещества). Анализ распределения метаногенов методом посева на элективные питательные среды показал, что жизнеспособные
1-[-1-1-1-1-1-1-г
Районы исследования биогеохимических процессов в отложениях океана. Цифрами обозначены широтные профили и полигоны (кружки в квадрате) исследования цикла метана в верхнем метре осадков океана. 1—4 — Северный Ледовитый океан (1 — Белое, 2 — Баренцево, 3 — Карское, 4 — Чукотское моря); 5—11 — Атлантический океан (5 — Балтийское море, 6 — проливы Скагеррак и Категатт, 7 — Норвежское море, 8 — залив Батабано, 9 — район Бенгельского апвеллинга, 10 — район выноса р.Конго, 11 — Черное море); 12—17 — Тихий океан (12 — Берингово море, 13 — Калифорнийский залив, 14 — Охотское море, 15 — Транстихоокеанский профиль, 16 — профиль у берегов Перу, 17 — Южно-Китайское море); 18—24 — Индийский океан (18 — Сомалийская котловина, 19 — Мозамбикский пролив, 20 — Аравийское море, 21 — Персидский залив, 22 — Оманский залив, 23 — Аденский залив, рифт Таджура, 24 — Бенгальский залив). Треугольники — районы с грязевым вулканизмом, звездочки — глубоководные гидротермальные поля срединно-океанических хребтов.
клетки этих микроорганизмов обнаруживаются вместе с сульфатредуцирующими бактериями во всех изученных нами пробах донных отложений.
Применение радиоизотопных субстратов (14С), участвующих в процессе метаногенеза, однозначно доказало, что биосинтез ОТ4 происходит во
всех пробах — независимо от того, наблюдается в них процесс сульфатредукции или нет.
Мы стремились количественно оценить продукцию и потребление метана в осадках всех геоморфологических зон океана — от мелководных осадков устьевых взморий крупных рек и мангро-
Таблица
Резервуары и потоки метана в океане [2]
Параметры Величины
Резервуар метана в океане 43.2 Тг (2 нмоль-1.35-10'км3)
Резервуар метана в Черном море 72 Тг
Поток метана при разложении пеллет в водной толще 4.38 Тг-год-1
Поток метана при микробном метаногенезе из верхнего метра осадков, без мелководных (<50 м) и анаэробных водоемов >11-Тг-год-1
Поток метана при грязевом вулканизме: в период извержения в остальное время всего 14 Тг-год-1 13 Тг-год-1 27 Тг-год-1
Дополнительный поток метана через осадки шельфа 35 Тг-год-1
в водную толщу
Поток гидротермального метана при подводном базальтовом 0.003—0.0115 Тг-год-1
вулканизме СОХ
Поток метана из океана в атмосферу 5—20 Тг-год-1
Количественная модель биогеохимического цикла метана в океане.
вых зарослей до глубоководных осадков желобов и котловин.
Во многих наших экспедициях были проанализированы распределение и геохимическая активность метаногенов на всю мощность осадков, отбираемых геологическими трубками (до 3—6 м). Здесь уместно вспомнить, что при изучении скорости метаногенеза в толще мелководных осадков Каспийского моря этот процесс был прослежен до глубины 108 м от поверхности дна [1, 2].
Параллельно происходящее изменение изотопного состава углерода остаточных от процесса метаногенеза метана и углекислоты, обнаруженное при анализе материалов глубоководного бурения [2], позволяет предполагать, что в слабо-литифицированных осадках микробный метано-генез продолжается по крайней мере до глубины 400 м от поверхности раздела вода—осадки. Некоторые исследователи допускают, что этот процесс активен до глубины около 1 км [3].
К.Клейтон [4] сообщает, что около 10% общего органического углерода может превратиться в СН4 при оптимальных условиях. Это вызывает образование свободных фаз микробного (диаге-нетического) газа. В 10-метровой толще осадков
с содержанием 1% Сорг , по расчетам Клейтона, может образоваться до 5-107 м3СН4-км-2.
Таким образом, анализ имеющихся данных позволяет утверждать, что живые микроорганизмы, в том числе метаногены и метанотрофы, численность которых в осадках только «нормального» океана (т.е. без разгрузки метансодержащих флюидов на дне) может достигать 108 кл.-мл-1, играют важнейшую роль в цикле СН4 во всех экосистемах океана.
Метаногенези метанокисление в осадках «нормального» океана
Количественные оценки суточной продукции микробного метаногенеза изменяются от десятков микромолей СН4 на кубический дециметр осадка в мелководных бухтах Балтийского моря до долей наномолей на кубический дециметр осадка в олиготрофных районах Белого моря и Тихого океана.
Следует подчеркнуть, что процессы микробного диагенеза с продукцией 0.003—0.141 мкмольСН4-м-2-сут-1 происходят во всех изученных
осадках склонов и даже подножья склонов океана до глубины 4 тыс. м. Лишь в осадках ложа океана, например в Сомалийской котловине и в красных глинах Тихого океана, на глубинах 4650—5072 м метаногенез не был обнаружен при чувствительности метода 0.00и нмольСН4-дм-3-сут-1.
Таким образом, важным фактором, влияющим на скорость процессов метаногенеза, является глубина, на которой располагаются осадки. Это опосредованно связано с количеством и составом органического вещества и литологией отложений. Сравнительный анализ и значительный разброс величин, полученных даже в пределах одной и той же геоморфологической зоны, затрудняют оценки суточной и годовой продукции СН4 не только в масштабе всего океана, но даже в отдельных морях. Наибольшие величины суммарной продукции СН4 получены для внутриконтинентальных морей (Балтийского и Черного) и окраинных (Берингова и Карского). В пределах отдельных акваторий заметное увеличение продукции наблюдается в осадках у впадения крупных рек. В качестве примеров можно привести осадки Двинского залива Белого моря, Рижского залива Балтийского моря, устьевые взморья рек Оби и Енисея в Карском море, осадки у впадения реки Конго в зоне апвеллинга.
Сопоставление величин продукции СН4 в осадках арктической зоны Норвежского моря в районе архипелага Шпицберген и в шельфовых осадках тропического района у берегов Перу показывает, что вне зависимости от температуры придонной воды скорость процессов метаногенеза варьирует в одних и тех же пределах (от 0.098 до 1.2 мкмоль-м-2-сут-1). Из этого следует, что температура оказывает заметно меньшее влияние на скорость метаногенеза в мелководных (менее 50 м) осадках, чем состав и количество поступающего в осадки органического вещества.
Суммарная продукция СН4 в открытых водах шельфовых морей Северного Ледовитого океана
(Карского, Чукотского и Белого) составляет 0.793 Тг-год-1 (1 Тг = 106 т) на площади 1552-103 км2.
В пересчете на всю площадь океанического шельфа (26.7-106 км2) продукция микробного СН4 составила бы 13.66 Тг-год-1.
Мы попытались грубо оценить продукцию диа-генетического метана в расчете на весь океан, используя величины продукции СН4 в осадках различных геоморфологических зон лучше других исследованного Аравийского моря, занимающего, как известно, ~1% площади Мирового океана. Продукция метана, по этим данным, составляет ~2ТгСН4 в год.
Полученные оценки очень приблизительны. Суммарная продукция в осадках океанского шельфа, рассчитанная по данным для арктических морей, скорее всего завышена. В арктические моря поступает огромное количество терри-генного органического вещества, которое минерализуется в анаэробных мелководных осадках. Этот последний источник органического материала особенно важен в Карском море, в которое впадают крупные реки, в первую очередь Обь и Енис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.