МИКРОБИОЛОГИЯ, 2013, том 82, № 5, с. 614-624
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 574:58:579.8.017.7(261.24)
МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЦИКЛА МЕТАНА И СУЛЬФАТРЕДУКЦИЯ В ОСАДКАХ АКВАТОРИИ СЕВАСТОПОЛЬСКИХ БУХТ
© 2013 г. Н. В. Пименов*, В. Н. Егоров**, Т. А. Канапацкий*, Т. В. Малахова**, Ю. Г. Артемов**, П. А. Сигалевич*, Л. В. Малахова**
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва **Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского Национальной академии наук Украины, Севастополь
Поступила в редакцию 09.11.2012 г.
Дана количественная оценка активности микробных процессов круговорота метана и сульфатре-дукции в донных отложениях акватории Севастополя, где ранее были зафиксированы выходы газообразного метана. Выявлена типичная для морских водоемов ведущая роль процесса сульфатредук-ции в терминальной фазе разложения органического вещества (ОВ) в восстановленных осадках этого района, интенсивность которого зависела от количества доступного ОВ. Скорость метаногенеза увеличивалась с углублением в осадочную толщу и достигала максимальных значений в подповерхностных горизонтах, где происходило снижение концентрации сульфат-иона в поровых водах. Максимальные интенсивности сульфат-зависимого анаэробного окисления метана наблюдались вблизи зоны перехода от сульфатных к метановым илам, что также характерно для большинства исследованных восстановленных морских осадков. Сопоставление данных изотопного состава углерода пузырькового метана струйных газовыделений и растворенного СН4 донных отложений, а также интенсивностей процессов микробного образования и окисления метана позволяет предполагать, что функционирование метановых сипов связано с накоплением этого газа микробного происхождения в полостях подстилающих геологических структур с последующим периодическим выбросом метана в водную толщу в виде пузырьковых высачиваний.
Ключевые слова: сульфатредукция, окисление метана, метаногенез, струйные газовыделения, акватория г. Севастополя, Черное море.
Б01: 10.7868/80026365613050108
В течение многих десятилетий микробиологические исследования в прибрежных районах Крыма были направлены на изучение изменений численности бактериопланктона, а также на выявление патогенной микрофлоры в водной толще и донных осадках [1]. Прибрежная полоса Черного моря подвержена сильному загрязнению хозяйственно-бытовыми и промышленными стоками, которое приводит к заметным нарушениям в нормальном протекании биогеохимических процессов круговоротов органического вещества (ОВ) и биогенных элементов. В некоторых случаях мелководные и наиболее биологически продуктивные участки моря становятся зоной экологической катастрофы. Так, например, с середины 1970-х годов в приустьевых районах северо-западного шельфа Черного моря в летний период наблюдался значительный дефицит кислорода, вызванный активизацией аэробного бактерио-планктона, осуществляющего деструкцию ОВ аллохтонной и автохтонной природы. Дополни-
1 Адресат для корреспонденции (е-mail: npimenov@mail.ru).
тельное поступление автохтонного ОВ было связано с заметно возросшей первичной продукцией за счет увеличения поступления соединений азота и фосфора с речным стоком, а сброс промышленных и бытовых отходов привел к обогащению вод прибрежных экосистем растворимым и взвешенным аллохтоным ОВ техногенной природы [2]. Окисление широкого спектра органических соединений водной толщи сообществом аэробных микроорганизмов сопровождается быстрым исчерпанием кислорода и возникновением уже в придонных водах и поверхностных осадочных отложениях восстановительной обстановки, благоприятной для развития широкого спектра анаэробных прокариот (бродильных, сульфатредуци-рующих, метаногенных и др.). Установлено, что в восстановленных осадках терминальная фаза минерализации ОВ в присутствии сульфатов происходит, главным образом, при участии сульфатре-дуцирующих бактерий, которые используют низкомолекулярные органические соединения или Н2, образующиеся на начальных этапах деструкции ОВ, и восстанавливают сульфат до сероводо-
рода [3]. Анаэробная зона осадков становится источником свободного сероводорода, который в период наиболее высоких скоростей сульфатре-дукции (СР) может проникать в водную толщу и вызывать массовую гибель придонной фауны. Сотрудниками Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, проводившими исследования экосистемы северо-западного шельфа Черного моря в российских и международных экспедициях, представлена целая серия независимых микробиологических и биогеохимических доказательств того, что основной причиной сезонного заражения придонных вод северо-западного шельфа Черного моря является активизация процессов бактериальной СР, вызванная значительным усилением антропогенной нагрузки на этот регион [4, 5]. Наряду с сульфатредукцией другим важным процессом разложения ОВ является метаногенез. Масштабы микробиологического образования метана зависят, главным образом, от величины потока ОВ в анаэробную зону. Часть метана, синтезируемого в анаэробной зоне, окисляется аэробными микроорганизмами — ме-танотрофами, населяющими как поверхностный окисленный слой донных осадков, так и водную толщу [5]. В анаэробной зоне осадочных отложений окисление метана (МО) происходит при участии консорциума анаэробных метанотрофных архей, филогенетически близких метаногенам, и сульфатредуцирующих бактерий [6, 7]. Тем не менее, в ряде работ показано, что значительная часть метана, продуцируемого в мелководных осадках северо-западного шельфа Черного моря, выходит в атмосферу и присоединяется к пулу парниковых газов [8, 5].
Наряду с техногенными стоками, северо-западный шельф Черного моря характеризуется широким распространением струйных газовыделений метана, по геологической классификации относящихся к холодным метановым сипам, которые встречаются на самых разных глубинах от нескольких метров до 500 м и более и оказывают заметное влияние на биогеохимические процессы в этом регионе [9]. В 1989 г. в прибрежной зоне г. Севастополя также были обнаружены акустические аномалии, идентифицированные как струйные газовыделения из морского дна [10]. Позднее сотрудниками ИНБЮМ НАН Украины в Севастопольской морской акватории было зарегистрировано 18 площадок газовых факелов [11], которые располагались как вдоль линий геодинамических нарушений, так и вне их. Исследование одного из районов газовой разгрузки в 2011 г. показало, что на площадке около 500 м2 было локализовано более 20 отдельных газовых струй [12]. Первые исследования генезиса метана, основанные на радиоуглеродной датировке, позволяли предполагать, что возраст выделяющегося метана не превышает 150 лет и он имеет биогенное про-
исхождение. Недавние микробиологические и биогеохимические исследования площадки струйных газовыделений в Севастопольской бухте показали, что аномалии по содержанию метана в придонной воде и поверхностном слое осадочных отложений в сочетании с повышенной активностью метано-трофных микроорганизмов могут быть индикаторами зон разгрузки дна [12].
Целью данной работы было изучение микробных процессов окисления и образования метана, а также восстановления сульфатов в районе мелководных метановых сипов, расположенных в акватории г. Севастополя и в сильнозагрязненной бухте Стрелецкой.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Полевые исследования проводили в начале июня 2012 г. с катера "Антарес", оборудованного мобильным акустическим комплексом в составе эхолота SeaCharter 480 DF с приемником GPS, гидроакустической антенны и универсального устройства крепления антенны на борту судна. Географическая карта района работ приведена на рис. 1. Результаты гидроакустической съемки обрабатывали с использованием программы визуализации эхограмм SonarViewer V2.1.2 и пакета анализа акустической информации WaveLens [13].
Отбор проб донных осадков на станциях 1 и 3 проводили трубчатым геологическим пробоотборником, позволяющим отбирать поверхностный слой донных осадков до 50 см без нарушения его структуры. На станциях 2 и 4 донные осадки отбирал водолаз. Гидрологические характеристики водной среды (температура, плотность и соленость морской воды) измеряли in situ с использованием CTD-зонда SD204 (SAIV A/S, Норвегия). Содержание метана в придонной воде и донных отложениях измеряли методом фазово-равновес-ной дегазации [14], известным в литературе как "headspace analysis". Содержание метана в газовой фазе определяли на газовом хроматографе Кристалл 2000 (Россия) с пламенно-ионизационным детектором. Погрешность метода не превышала 5%.
Иловые воды получали центрифугированием осадков при 8000 g в течение 10 мин на центрифуге ЦУМ-1 (Россия). Величину общей щелочности поровых вод определяли титрованием с использованием стандартного набора реактивов "Merck" (Германия). Содержание сульфат-иона в поровых водах осадков измеряли на ионном хроматографе "Стайер" (Россия).
Содержание Сорг в осадках определяли на анализаторе TOC-VCph фирмы "Shimadzu" (Япония) с приставкой SSM-5000A.
Скорости микробных процессов измеряли радиоизотопным методом. Для этого немедленно
Восточная долгота
Рис. 1. Локализация метановых сипов (О) в 1989—2007 гг. и станции отбора проб в июне 2012 г. (•). Прямоугольником выделена площадка газовых пузырьковых выходов, наблюдаемых в октябре 2011 г., пунктиром отмечены линии геодинамических нарушений.
после подъема геологического пробоотборника на борт судна 3 мл осадка с соответствующего горизонта помещали в пластиковые шприцы (5 мл) с обрезанным концом, который затем закрывали пробкой из газонепроницаемой бутиловой резины. Через пробку вносили 0.2 мл радиоактивно меченого субстрата и инкубировали при температуре 12°С в течение 1—2 сут. Выбранная температура инкубации соответствовала температуре придонной воды в момент пробоотбора, измеренной с использованием CTD-зонда. После завершения инкубации пробы фиксировали 1 мл 2 М раствора КОН и транспортировали в стационарную лабораторию. Дальнейшую обработку проб осуществляли по методике, детально описанной в работе [15]. При определении скорости метано-кисления (МО) использовали 14С-метан, растворенный в дегазир
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.