МИКРОБИОЛОГИЯ, 2008, том 77, № 5, с. 651-659
ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СТАТЬИ
УДК 574.58.:579.8.017.7(261.24)
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАЙОНЕ ПОКМАРКА В ГДАНЬСКОЙ ВПАДИНЕ
БАЛТИЙСКОГО МОРЯ
© 2008 г. Н. В. Пименов*' М. О. Ульянова**, Т. А. Канапацкий*, В. В. Сивков**, М. В. Иванов*
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва **Атлантическое отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Калининград
Поступила в редакцию 10.12 2007 г.
В 87-ом рейсе НИС "Профессор Штокман" проведены комплексные микробиологические и биогеохимические исследования покмарка, расположенного в пределах одного из ареалов газонасыщенных осадков Гданьской впадины Балтийского моря. Измерение содержания метана в придонном слое моря и подстилающих осадках свидетельствуют об устойчивом потоке СН4 из осадочной толщи в воду. Наряду с метановыми аномалиями, в 10-метровом слое воды над покмарком обнаружены повышенные значения численности микроорганизмов, а также интенсивности темновой фиксации углекислоты (до 1.15 мкмоль С/(л сут) и окисления метана (до 2.14 нмоль СН4/(л сут). Об активности микробного сообщества в придонной воде свидетельствует также облегченный изотопный состав углерода органического вещества взвеси. По сравнению с фоновыми станциями в осадках покмарка содержание метана резко нарастало от поверхности до 40-60 мл/дм3 на горизонте 20-30 см. По всей длине колонки (0-40 см) в поверхностных осадках радиоизотопным методом зафиксированы высокие скорости бактериальной суль-фатредукции (СР) с максимумом (74 мкмоль 8/(дм3 сут) в подповерхностных горизонтах (15-20 см). На этих же горизонтах обнаружены и наиболее высокие (до 80 мкмоль/дм3 сут) интенсивности анаэробного окисления метана (АОМ). Четко совпадающие профили скоростей АОМ и СР в стехиометрии близкой к 1 : 1 подтверждают гипотезу тесной взаимосвязи этих двух процессов, проводимых консорциумом ме-танотрофных архей и сульфатредуцирующих бактерий. Величина изотопного состав углерода метана в подповерхностных осадках покмарка варьировала от -53.0 до -56.5%е, что не исключает присутствия в составе газа, наряду с биогенным, также и миграционного метана глубинных горизонтов осадочного чехла.
Ключевые слова: покмарк, сульфатредукция, анаэробное окисление метана, Балтийское море.
За последние два десятилетия на дне морей и континентальных окраин океанов обнаружены многочисленные газовые высачивания, основным компонентом которых является метан. Характерные формы донного микрорельефа (покмарки = оспины - кратерообразные углубления в поверхности дна), наблюдаемые в зонах углеводородных выса-чиваний, а также геофизические и геохимические аномалии в осадочном разрезе служат хорошим индикатором поиска метановых сипов [1].
Газонасыщенные донные осадки и придонные слои водной толщи в местах разгрузки углеводородных сипов характеризуются повышенной активностью метанокисляющих микроорганизмов, способных в аэробных и анаэробных условиях использовать метан в энергетическом и конструктивном метаболизме [2-4]. Интенсивные процессы микробного образования углекислоты из метана с последующим высаживанием аутигенных карбонатов, так называемых "methane derived carbonates",
1 Адресат для корреспонденции (е-mail: npimenov@mail.ru).
часто приводит к образованию в районах метановых сипов массивных карбонатных построек [5, 6].
В начале семидесятых годов прошлого столетия сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР впервые были обнаружены аномалии в распределении углеводородных газов в придонных водах Балтийского моря [7]. Геофизические и геологические исследования, проведенные в серии экспедиций в Балтийском море, показали, что повышенное содержание метана в придонных слоях водной толщи, определяется разгрузкой газосодержащих флюидов, локализация которых приурочена к специфической геоморфологической картине дна (углубления, кратеры и т.д.). Позднее метановые кратеры с характерными газонасыщенными осадками и повышенным содержанием метана в придонной воде были выявлены в различных районах Балтийского моря в пределах Гданьской, Арконской и Готландской впадин [8, 9].
Несмотря на достаточно представительный материал о широком распространении метановых сипов в Балтийском море, исследования активности
микробного сообщества, приуроченного к зонам покмарков и геоакустических аномалий, до сих пор не проводились.
В этой связи целью настоящей работы было проведение сравнительных микробиологических и биогеохимических исследований активности микроорганизмов в поверхностных осадках и придонных слоях водной толщи вне и в зоне покмарка, расположенного в российском секторе Гданьской впадины.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования воды и донных осадков проводились в 87-ом рейсе НИС "Профессор Штокман" в июле 2007 г. в российском секторе Гданьского бассейна (рис. 1а). Выбор покмарка для исследования был сделан на основании данных 44-го рейса НИС "Академик Курчатов" [8].
Образцы воды отбирали пластиковыми батометрами Нискина объемом 1.7 и 5 л, установленными на гидрологическом пробоотборном комплексе типа "Розетта". Ненарушенные пробы воды и осадков на контакте "вода-дно" отбирали при помощи герметичной трубки типа Ниемисте. Для отбора осадков использовали также дночерпатель "Океан-50".
Для определения численности микроорганизмов образцы воды фиксировали формалином до конечной концентрации в пробе 3-4%, выдерживали 5-10 мин и фильтровали через черные поликарбонатные мембранные фильтры с диаметром пор 0.2 мкм ("Osmonics", США). Образцы донных осадков фиксировали глутаральдегидом (0.5 мл 25% ГА на 5 мл осадка). Далее образцы транспортировали в лабораторию, где проводили десорбцию клеток с частиц осадка ультразвуком на установке УЗДН-2Т в течение 2-10 с в импульсном режиме при силе тока 0.015 А и частоте 22 кГц. В качестве флуоресцентного красителя использовали водные растворы ДАФИ или акридинового оранжевого [10]. Подсчет бактериальных клеток проводили в люминесцентном микроскопе ЛЮ-МАМ-3 (Россия).
Определение скорости микробных процессов проводили радиоизотопным методом с использованием 14С и ^-субстратов. Немедленно после подъема на борт судна пробы воды помещали в стеклянные 30 мл флаконы и герметично без пузырька воздуха закрывали резиновой пробкой. 3 мл осадка помещали в пластиковые шприцы объемом 5 мл с обрезанным концом, который затем закрывали пробкой из газонепроницаемой бутиловой резины. Через пробку вносили 0.2 мл соответствующего меченого субстрата и инкубировали образцы в холодильнике при температуре 1-3°С в течение 1-2 сут. Затем пробы фиксировали 0.5 мл 2 М раствора КОН и транспортировали в стационарную лабора-
торию. Дальнейшую обработку проб осуществляли по описанным ранее методикам [11]. При определении скорости метанокисления использовали 14С-ме-тан, растворенный в дегазированной дистиллированной воде. В пробу осадка или воды вносили 1 мкКи 14С-метана. Скорость сульфатредукции определяли с 35S сульфатом (10 мкКи на пробу), ме-танобразования - с 14С бикарбонатом (10 мкКи на пробу) и 14С-ацетатом, меченым по метильной группе (10 мкКи на пробу), темновую СО2-ассими-ляцию - с 14С бикарбонатом (10 мкКи на пробу). Контролем служили образцы, фиксированные щелочью и выдержанные в холодильнике 6 ч до внесения меченого субстрата.
Иловые воды получали центрифугированием осадков. Содержание щелочного потенциала и сероводорода проводили с использованием стандартного набора реактивов ("Merck", Германия), кислорода - методом Винклера. Содержание сульфатов определяли на ионном хроматографе, метана - га-зохроматографическим методом на хроматографе Кристалл 2000 (Россия) с пламенно-ионизационным детектором.
Окислительно-восстановительный потенциал определяли при помощи полевого потенциометра рН 320/Set-1 ("WTW", Германия).
Образцы взвеси собирали путем фильтрации проб воды, объемом до 5 л через стекловолокни-стые мембранные фильтры GF/F (Whatman, диаметр 47 мм). Фильтрацию проводили на борту судна немедленно после отбора проб. Подготовку образцов для анализа на масс-спектрометре проводили по ранее описанной методике [12]. Для измерения 813С органического углерода донных осадков пробы илов подкисляли 8% HCl для удаления карбонатов. Затем образцы осадков помещали в ампулы из кварцевого стекла с CuO и выдерживали в муфельной печи при 500°С в течение 18 ч. Образующуюся в ампулах углекислоту собирали под вакуумом, очищали в жидком азоте и измеряли величину 813С на масс-спектрометре. Для определения изотопного состава минерального углерода карбонатов, отжатые из осадков иловые воды, подкисляли 8% HCl и собирали выделяющуюся углекислоту [13]. Измерение изотопного состава органического углерода взвеси (813С) и минерального углерода карбонатов проводили на изотопном масс-спектрометре Delta plus ("Thermo Electron Corporation", Германия) с использованием лабораторных стандартов, от-калиброванных относительно углеродного стандарта PDB.
Изотопный состав углерода (513С) метана измеряли на газовом хроматографе ("Thermo Electron Corporation", Германия), совмещенном с масс-спектрометром Delta plus.
а
55°15' с.ш.
55°00'
20°00' в.д.
Рис. 1. а - схема расположения станций пробоотбора в 87-ом рейсе НИС "Профессор Штокман" (российский сектор Гданьского бассейна Балтийского моря): 1 - станции пробоотбора; 2 - изобаты, м; 3 - полигон газонасыщенных осадков (покмарков); б - геоакустический профиль (А-Б) через исследуемый покмарк (приведены глубины без гидрологических поправок на скорость звука в морской воде). На врезке - форма и горизонтальные размеры покмарка, положение геоакустического профиля (данные промера получены эхолотом EA 400SP в 90-ом рейсе НИС "Профессор Штокман", октябрь 2007 г.).
РЕЗУЛЬТАТЫ
В выбранном для исследований покмарке локальное понижение глубины составило 1-3 м, его горизонтальные размеры - 800 х 400 м (рис. 16).
Осадки представлены темными до черного алеври-тово-пелитовыми и пелитовыми илами.
На относительно глубоководных станциях ниже галоклина (65-75 м) в придонных водах наблюдался
Таблица 1. Распределение метана, кислорода и
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.