ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.222(282.256.341)
ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА В ВОДНОЙ ТОЛЩЕ РАЙОНОВ ГАЗО-И НЕФТЕПРОЯВЛЕНИЙ СРЕДНЕГО И ЮЖНОГО БАЙКАЛА
© 2015 г. А. С. Захаренко*, Н. В. Пименов**, В. Г. Иванов*, Т. И. Земская*
*Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутск **Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 02.07.2014 г.
В июле 2013 г. проведены комплексные микробиологические и биогеохимические исследования водной толщи олиготрофного озера Байкал в районах двух грязевых вулканов "К2" и "Большой" и нефтяного сипа "Горевой Утес". Измерены общая численность микроорганизмов, количество клеток метанотрофов I и II типов, концентрации метана и оценена скорость его окисления. Содержание метана в водной толще Байкала изменялось от 0.09 до 1 мкл/л, а скорость его окисления от 0.007 до 0.9 нл/л сут. Наибольшие величины скорости окисления метана измерены в придонных горизонтах грязевого вулкана "Большой" и нефтяного сипа "Горевой Утес", где отмечались и наиболее выраженные аномалии содержания метана. ОЧМ варьировала от 0.123 х 106 до 1.64 х 106 кл/мл. Мета-нотрофные бактерии обнаружены в водной толще всех исследуемых районов Байкала, однако их распределение не всегда коррелировало с концентрацией метана и интенсивностью его окисления. Численность метанотрофов не превышала 1.63% от общего числа микроорганизмов, причем максимальные значения наблюдались в верхних 200 м водной толщи.
Ключевые слова: метанотрофные бактерии, метанокисление, концентрация метана, оз. Байкал.
DOI: 10.7868/S0026365615010176
Озеро Байкал — уникальный пресноводный водоем, на дне которого выявлены метановые и нефтяные сипы, грязевые вулканы, а также районы приповерхностных залеганий газовых гидратов (ГГ) [1]. В водной толще и придонных слоях этих районов отмечались повышенные концентрации метана, достигающие сотен нанолитров метана в литре (0.01—0.11 мкл/л — измерения Гранина, 0.01—0.3 мкл/л — данные Егорова) [2, 3]. Следует отметить, что исследования содержания метана в водах Байкала не носили систематического характера, а проводились эпизодически с применением различных методов и приборов [3—5]. В связи с проблемой глобального потепления климата существует вероятность разложения ГГ, которая может привести к формированию аномально высоких концентраций метана в глубинных водах. В последние годы в ряде публикаций обсуждается проблема увеличения содержания метана в воде озера Байкал и возможные причины этого явления [6, 7]. Ранее в мировой литературе обсуждалась возможность крупных выбросов метана из газогидратных резервуаров в протерозое [8] и более мелких — в четвертичный период [9].
1 Автор для корреспонденции (e-mail: zakharen-ko@lin.irk.ru).
Микроорганизмы играют важнейшую роль в круговороте метана на нашей планете, в том числе и в водных экосистемах, обеспечивая как процессы его образования, так и окисления. Установлено, что прокариоты окисляют метан в аэробных и анаэробных условиях. В аэробных условиях окисление метана осуществляет группа метанотроф-ных бактерий, обладающая уникальным ферментным комплексом — метанмонооксигеназой [10], осуществляющим первую ступень окисления метана молекулярным кислородом до метанола. К настоящему времени биогеохимические циклы метана исследованы во многих озерах [11—13], морях, в том числе в районах метановых сипов, глубоководных высокотемпературных гидротерм [14].
Исследования распространения метанотроф-ных бактерий в водной толще озера Байкал ранее не проводилось. Отрывочные данные касались лишь поверхностных осадков [15], где с применением разных методов идентифицированы мета-нокисляющие бактерии I и II типов. Прямые радиоизотопные измерения скорости окисления метана в водной толще Байкала ограничиваются данными Намсараева и соавт. [16], согласно которым средняя скорость этого процесса составляла около 0.5 мкл/л в сутки. Достоверность этой величины вызывает сомнения, поскольку типичные
Таблица 1. Некоторые характеристики станций пробоотбора в Среднем и Южном Байкале
Станция Номер станции Глубина, м Координаты Температура, °С Минерализация, мг/л
Грязевой вулкан К-2 в Кукуйском каньоне (Средний Байкал) R1 890 52.5925000° N 106.7722670° E 3.3-7.5 96.12-97.61
Нефтяной сип Горевой утес (Средний Байкал) R6 855 53.3045170° N 108.3919330° E 2.8-3.2 96.72-97.58
Грязевой вулкан Большой (Южный Байкал) R9 1370 51.8779000° N 105.5505170° E 3.3-5.0 96.48-97.48
Таблица 2. Зонды, используемые для флуоресцентной in situ гибридизации (FISH)
Зонд Краситель Последовательность Целевой организм Ссылка
М-450 Су3 ATCCAGGTACCGTCATTATC II тип 19
М-84 Су3 CCACTCGTCAGCGCCCGA I тип 19
M-669 Tamra CTCACCTTAAAGTCCACATCG Мв^уЬтвпаз и Ме(ку1оЬае(ег 19
MA-221 Tamra GGACGCGGGCCGATCTTTCG Все Methylosinus 8рр. плюс 20
некоторые МеЛу1оеузйз 8рр.
концентрации растворенного в водной толще метана в несколько раз меньше его суточного потребления сообществом метанотрофных бактерий. Скорости окисления метана, полученные расчетным способом (с помощью уравнения Ми-хаэлиса—Ментен) дают другие величины, изменяясь в диапазоне 0.004—0.021 нл/(л сут) [2].
Цель работы — проведение детальных исследований содержания метана, скоростей его окисления и измерения численности метанотрофных бактерий с помощью метода флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) в зонах разгрузки метана и нефти.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили в начале июля 2013 г. в Южном и Среднем Байкале на трех станциях (ст.) в районах разгрузки углеводородсодержащих флюидов (табл. 1). Отбор проб проводили с борта НИС "Г.Ю. Верещагин" системой батометров SBE 32 Carousel Water Sampler.
Отбор проб для измерения концентрации метана в верхних 25 м водной толщи и придонном слое до 50 м от дна проводили через каждые 5 м, остальную водную толщу опробовали c шагом 100 м. Одновременно с пробоотбором на этих же станциях измеряли профили температуры и минерализации зондом SBE 19 Plus. Содержание метана определяли методом "Headspace" [17] на газовом хроматографе Эхо-EW с пламенно-ионизационным детектором (Новосибирск, Россия).
Для подсчета общей численности микроорганизмов (ОЧМ) пробы воды отбирали с разных
глубин (0, 50, 100, 200, 300, 500, 700 м, придонная область). Образцы воды фиксировали 4% формалином, окрашивали флуорохромным красителем ДАФИ (4,6-диамино-2-фенилиндол) [18] и просматривали под эпифлуоресцентным микроскопом (AxioImager.M1, "Carl Zeiss", Германия).
Структуру метанотрофного сообщества определяли методом флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) с использованием олигонуклеотидных зондов, меченных флуоресцентными красителями СуЗи Tamra. Структура флуоресцентно--меченых олигонуклеотидных зондов (ООО "Биосинтез", Новосибирск), используемых в исследовании, приведена в табл. 2 [19, 20].
Фиксацию микроорганизмов проводили методом, разработанным ранее [21]. Пробы воды (от 100 до 250 мл) фильтровали на белые поликарбонатные фильтры (диаметр 25 мм, размер пор 0.2 мкм; "Mil-lipore", Германия) с использованием перистальтического насоса. Затем фильтры обрабатывали 3 мл холодного раствора 4% параформальдегида (PFA, "Sigma", Германия) в фосфатном буфере (PBS, pH 7.2) в течение 30 мин при комнатной температуре. По истечении времени фиксатор отфильтровывали. Фильтр три раза промывали последовательно 3 мл буфера PBS и 3 мл дистиллированной воды. Высушенные на воздухе фильтры хранили при температуре —20°С. Подсчет клеток производили под эпифлуоресцентным микроскопом AxioImager.M1 с помощью программы ImageTest.
Измерение скорости окисления метана в водной толще проводили радиоизотопным методом с 14С-метаном. Немедленно после подъема на борт
(а)
Температура, °С
Рис. 1. Распределение температуры (а) и минерализации оз. Байкал. 1 — ст. R-1; 2 — ст. R-6; 3 — ст. R-9.
(б)
Минерализация, мг/л
(б) в водной толще в районах разгрузки углеводородов
судна образцы воды из батометров разливали в 30-мл пенициллиновые флаконы и закрывали их резиновой пробкой. 0.2 мл раствора 14С-метана в дистиллированной воде активностью 1 мкКи вносили стерильным шприцом в пенициллино-вый флакон. Инкубацию проб с меченым метаном проводили в течение 24—36 ч в холодильнике при температуре 3—4°С. После завершения инкубации пробы воды фиксировали 1 мл 2 N №ОН. Контролем служили пенициллиновые флаконы, заполненные отобранной из батометров водой, куда перед внесением раствора 14С-метана добавляли 1 мл 2 N №ОН. Дальнейшую обработку проб проводили по методике, подробно описанной ранее [22]. При расчете скорости окисления метана учитывали как окисление 14С-СН4 метана до углекислоты, так и включение 14С-углерода метана в нелетучую при подкислении фракцию органического вещества.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Распределение значений температуры и минерализации (рис. 1) в водной толще исследованных районов было различным. На ст. R-6 они соответствовали данным, характерным для периода весенней гомотермии, а на ст. R-1 и R-9 — для периода прямой стратификации. Профили распределения метана на ст. R-1 и R-9 имели сходный характер: наблюдались повышенные концентрации в поверхностных горизонтах до глубины 50—200 м и промежуточные максимумы на глубинах 300 и
400 м, 0.56 и 0.33 мкл/л соответственно (рис. 2а, 4а). Концентрация метана на ст. R-6 от поверхности до глубины 600 м практически не изменялась, что может быть следствием вертикального водообмена в период весенней гомотермии (рис. 3а). На всех станциях в придонных областях выявлялись более высокие значения концентрации метана: на ст. R-1 на глубинах 860—890 м содержание СН4 изменялось от 0.49 до 0.66 мкл/л; на ст. R-6 на глубине 830 м достигало 1 мкл/л, на глубинах 850—855 м — 0.63 мкл/л; на ст. R-9 на горизонте 1300—1370 м варьировало от 0.19 до 0.36 мкл/л. Следует отметить повышение содержания метана на глубине 5 м на ст. R-1 до 0.36 мкл/л и ст. R-9 до 0.26 мкл/л (рис. 2а, 4а), где в этот период отмечалась высокая биомасса диатомовых водорослей. Образование метана в зонах повышенной активности фитопланктона обнаружено также в олиготрофном озере Штехлин (Германия) [23], к
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.