ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 451, № 3, с. 332-335
= ГЕОГРАФИЯ
УДК [551.464.34:547.211](282.256.341)
ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА В ВОДНОЙ ТОЛЩЕ ОЗЕРА БАЙКАЛ
© 2013 г. Н. Г. Гранин, И. Б. Мизандронцев, А. И. Обжиров, О. Ф. Верещагина, Р. Ю. Гнатовский, А. А. Жданов
Представлено академиком М.А. Грачевым 24.10.2012 г. Поступило 24.10.2012 г.
DOI: 10.7868/S0869565213210214
Открытие газовых гидратов в донных отложениях Байкала [1], грязевых вулканов и глубинных выходов метана [2—4] потребовало решения вопроса об оценке скорости его окисления в водной толще озера для фоновых концентраций, а также в случаях повышенного содержания растворенного газа.
Анализ вертикальных профилей распределения растворенного метана в нормально-аэрированных морях и озере Байкал в 2002—2004 гг. показал, что его концентрации и величины парциального давления в основной, глубинной части водной толщи обычно ниже их равновесных с атмосферой значений. Это обусловлено аэробным метанокислением в водной среде при участии метанотрофных бактерий [5]. Количественная оценка интенсивности данного процесса in situ представляет собой актуальную задачу при описании формирования распределения метана и его участия во внутриводоем-ном круговороте углерода, а также в газообмене водоема с атмосферой [6].
В настоящее время имеются данные о потенциальной скорости аэробного бактериального окисления метана в водной толще открытого Байкала, определенной радиоизотопным методом [6]. Она характеризует физиологическую активность метанотрофов [7]. В целом скорость окисления убывает с глубиной и составляет от 0.26 до 8.3 мкл СН4 • л-1 • сут-1 при среднем значении 0.5 мкл СН4 • л-1 • сут-1 [8, 9] . Для большинства глубоководных станций вне зон влияния газо-
Лимнологический институт
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Иркутск
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Владивосток
вых сипов и грязевых вулканов интенсивность процесса не превышает 1.1 мкл СН4 • л-1 • сут-1. Согласно осредненному профилю скорости метанокисления в основной глубинной зоне озера (> 200 м) ее значения лежат в пределах 0.1-0.5 мкл СН4 • л-1 • сут-1 [10]. Численность метанотрофов по единичным измерениям [9] составляет в толще байкальских вод от 10-100 до 1000 кл. • мл-1.
Цель настоящей работы заключается в количественной оценке фактической скорости окисления растворенного метана in situ в условиях нормально-аэрированного пресного водоема с морскими глубинами на основе данных о возрасте его водных масс и вертикальном распределении метана. Знание интенсивности данного процесса необходимо при балансовых расчетах, описании круговорота углерода в Байкале с учетом источников поступления и потребления метана при участии специфической микрофлоры.
Исследования в 1988-1997 гг. возраста водных масс открытого Байкала [11, 12] показали, что он увеличивается с глубиной. При этом изменения профилей возраста за этот период были невелики. Вертикальное распределение метана в водной толще пелагиали озера измеряли в 2002-2004 гг. [13]. Было установлено, что профили концентраций СН4 в основной части водной толщи (более 200 м) также не испытывали заметных изменений во времени.
В настоящей работе использованы данные о тритиево-гелиевом возрасте вод [12] (рис. 1) и осредненные вертикальные профили концентрации растворенного СН4 на глубоководных станциях в июне 2003 г. (рис. 2). Местоположение станций и распределение метана в водной толще на продольном разрезе через озеро приведены в [13].
ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА
333
Возраст, годы
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Рис. 1. Осредненные профили тритиево-гелиевого возраста вод [12] открытого Байкала (1 — южная, 2 — средняя, 3 — северная котловины озера).
Рис. 2. Осредненные профили концентрации растворенного метана в водной толще открытого Байкала (1 — южная, 2 — средняя, 3 — северная котловины озера).
Содержание растворенного метана в Байкале методом вакуумной дегазации определяли сотрудники Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН. Газохроматогра-фический анализ выполнялся на хроматографе SRI 861C ("SRI Instruments", США) с точностью ±5%.
Бактериальное окисление растворенного в воде метана, осуществляющееся лабильной метан-монооксигеназной ферментной системой [5], описывается уравнением Михаэлиса—Ментен [7]. Значение константы Михаэлиса (KM) составляет в озерных водах 5—10 мкмолей • л-1 и в морской воде около 0.5 мкмоля СН4 • л-1, что на 34 порядка превышает фоновые концентрации метана в глубинной зоне Байкала. В этом случае формальная кинетика окисления СН4 сводится к процессу первого порядка [13, 14].
Измерения тритиево-гелиевого возраста водных масс и вертикального распределения метана позволили представить изменение содержания СН4 в водной толще в виде кинетических кривых
в координатах концентрация—время. Их полулогарифмические анаморфозы приведены на рис. 3. Из описания процесса аэробного окисления метана при низких его концентрациях уравнением реакции первого порядка следует, что эффективный коэффициент скорости (удельная интенсивность
ч йС
рассматриваемого процесса) равен а = -С — ,
й
где С — концентрация СН4, ? — время (возраст данной водной массы).
Расчет а проводили по выбранным парам значений возраста вод и концентраций на горизонтах с глубинами 21 и 22 в основной части водной толщи с глубинами более 200 м без придонной зоны:
а = -{) - /(ц .
С (¿1)
При этом полагали, что исходная концентрация метана С0 в водной массе "нулевого" возраста постоянна. Учет темпов ее прироста за последние
334
ГРАНИН и др.
ln C 4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
100 200 200 1
- о 200 ... 400 2 3
- 400 400 600 900 ■■-.800
- 800 900 900 1000 600 800
- 1000 1200 ■ i>
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Возраст, годы
Рис. 3. Зависимость концентрации растворенного метана от возраста вод основной части водной толщи Южного (1), Среднего (2) и Северного (3) Байкала. Линии регрессии: штриховая — южная, пунктирная — средняя и сплошная — северная котловины озера. Числа у точек — глубина горизонта в метрах.
два десятилетия с учетом данных станции глобального мониторинга о содержании метана в атмосфере [15] дает поправку всего в 3—4%.
Рассчитанные значения а для глубинной части водной толщи открытого Байкала вне зон непосредственного влияния газовых сипов и грязевых вулканов составляют для южной, средней и северной котловин озера соответственно (2.7— 4.1) • 10-4, (1.9-3.8) • 10-4 и (2.9-4.4) • 10-4 сут-1.
Согласно линейным уравнениям регрессии для данных в координатах 1пС— I, величины а равны 3.6 • 10-4 сут-1 (Южный Байкал), 3.3 • 10-4 сут-1 (Средний Байкал) и 3.7 • 10-4 сут-1 (Северный Байкал). Наилучшее описание уменьшения концентрации СН4 с глубиной на основании одномерной диффузионной модели было достигнуто при а = 8.0 • 10-9 с-1 (6.9 • 10-4 сут-1) [13]. При этом профиль коэффициента вертикальной турбулентной диффузии рассчитывали по К— е-мо-дели. Следует заметить, что величина а существенно зависит от заданного в модельных экспериментах профиля коэффициента турбулентной диффузии.
При указанных выше значениях а и средневзвешенных величинах концентрации растворенного метана в основной части водной толщи (более 200 м), равных 22 (Южный и Средний Байкал) и 45 нл СН4 • л-1 (Северный Байкал), средние скорости окисления метана составляют соответственно 7.9 ■ 10-3, 7.3 ■ 10-3 и 17 ■ 10-3 нл СН4 • л-1 • сут-1. Поскольку концентрация метана убывает с ростом глубины, скорость его окисления также уменьшается по вертикали (нл СН4 • л-1 • сут-1): от 2.1 ■ 10-2 до
0.4 ■ 10-2 в Южном Байкале, от 1.9 ■ 10-2 до 0.3 ■ 10-2 в Среднем и от 2.8 ■ 10-2 до 1 ■ 10-2 в Северном.
Полагаем, что в верхнем перемешанном слое (0-200 м) значения а близки к таковым в глубинной зоне соответствующих котловин озера. Тогда годовое потребление метана в водной толще, рассчитанное с учетом послойных объемов воды, составит в Южном, Среднем и Северном Байкале соответственно 18, 24 и 38 т при средневзвешенной концентрации метана соответственно 31, 31 и 50 нл СН4 • л-1 . Таким образом, для поддержания квазистационарного фонового вертикального распределения метана в водах всего озера требуется ежегодное поступление 80 т СН4 за счет функционирования внешних и внутренних источников. Данная оценка не учитывает выделение газообразного метана в атмосферу мелководными сипами, а также локальное его поступление в растворенном виде и в форме газовых факелов из глубоководных донных отложений (грязевые вулканы и сипы).
В глубинной части открытого озера в непосредственной близости от выходов газа наблюдались повышенные концентрации растворенного метана [9, 10, 13]. Предполагается, что в настоящее время происходит увеличение содержания СН4 в водной толще озера. При допущении, что содержание метана в глубинных водах Южного и Среднего Байкала в настоящее время превышает существовавшие в 2002-2004 гг. фоновые значения в 10-30 раз, скорость его окисления должна составлять 420-1300 т СН4 • год-1, что сопоставимо с оценками потока метана из глубоководных отложений 1400-2800 т • год-1 [4].
Авторы приносят благодарность Б. Б. Намса-раеву и О.П. Дагуровой за консультации по теме исследований.
Работа была проведена при поддержке Междисциплинарных проектов СО РАН 73, 132 и Проекта Президиума РАН 23.9.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмин М.И., Калмычков Г.В., Гелетий В.Ф. и др. // ДАН. 1998. Т. 362. № 5. С. 141-143.
2. Van Rensbergen P., De Batist M., Klerkx J., et al. // Geology. 2002. V. 30. P. 631-634.
3. Granin N.G., Makarov M.M., Kucher K.M., et al. // Geo-Mar. Lett. 2010. V. 30. № 3/4. P. 399-409.
4. Granin N.G., Muyakshin S.I., Makarov M.M., et al. // Geo-Mar. Lett. 2012. V. 32. № 5. C. 427-436.
5. Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. М.: Геос, 2001. 500 с.
6. Беляев С.С., Лавринавичус К.С., Иванов М.В. // Микробиология. 1975. Т. 44. В. 3. С. 542-545.
ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА
335
7. Hanson R.S., Hanson T.E. // Microbiol. Rev. 1996. V60. Iss. 2. P. 439-471.
8. Гайнутдинова Е.А., Дагурова О.П., Намсараев Б.Б. // Вестн. БГУ. Сер. Био
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.