МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 2, с. 258-270
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.68.013:547.211(262.5)
СОДЕРЖАНИЕ МЕТАНА В ДОННЫХ ОСАДКАХ И ВОДНОЙ ТОЛЩЕ ЧЕРНОГО МОРЯ
© 2004 г. В. Ф. Гальченко*, А. Ю. Леин**, М. В. Иванов*
*Институт микробиологии РАН, Москва **Институт океанологии РАН, Москва Поступила в редакцию 06.02.2003 г.
Проведены измерения содержания метана в донных осадках и водной толще Черного моря с применением различных методов десорбции газов, анализа и расчета их концентраций. Наиболее точным при анализе концентрации метана в донных отложениях оказался хедспейс-метод с высаливанием и расчетом по внутреннему стандарту. Содержание метана в донных отложениях увеличивалось с глубиной опробования ила. В верхних 50-70 см шельфовых отложений выявлено наличие двух минимумов концентраций метана, в глубоководных - только одного минимума на горизонтах 20-50 см. В водной толще концентрации метана слабо нарастали в пределах глубин от поверхности до 150-200 м и резко увеличивались до глубин 700-1200 м, оставаясь почти неизменными в нижележащих слоях. В некоторых глубоководных районах на горизонтах 1000-1200 м водной толщи выявлены пиковые значения содержания метана, вероятно обусловленные локальными выносами глубинных вод, обогащенных этим газом.
Ключевые слова: метан, профили концентраций, вода, донные осадки, десорбция газов.
Несмотря на то что de novo метан образуется метаногенными археями в пространственно ограниченных и уникальных анаэробных эконишах, потенциальный вклад этого парникового газа в гидро- и атмосферу Земли может быть весьма существенным. Однако относительно вклада потоков метана в глобальный круговорот углерода до сих пор существует значительная неопределенность, порождающая многочисленные гипотезы и предположения. В этой связи, Черное море -мощная постоянно продуцирующая метан анаэробная экосистема, привлекает в последнее время значительный интерес микробиологов, биогеохимиков, климатологов. Экспериментально обоснованные расчеты потоков метана в терригенных и морских экосистемах до сих пор весьма редки [1-4], тогда как математическое моделирование изменений климата и прогнозы относительно влияния на климат парниковых газов требуют большого количества мониторинговых данных.
Поскольку в случае применения радиоизотопного метода определения интенсивностей (удельной скорости) любого биогеохимического процесса в формулах расчета обязательно содержатся значения концентраций метаболизируемого организмами соединения, точность анализа содержания последнего in situ (в нашем случае метана) является одним из наиболее узких звеньев такого расчета. Несмотря на это в литературе до сих пор отсутствует подробный анализ эффективности методов извлечения и определения содержания метана в воде, донных осадках, почвах.
Недавние открытия в Охотском, Черном [5, 6] и других морях огромных по площади и биологически продуктивных "холодных (метановых) сипов" - донных источников легких углеводородов и метана, существенно усилили интерес к черноморской экосистеме как потенциальному и мощному источнику атмосферного метана. В свое время (1980, 1984 и 1990 гг.) нами были проведены две надводные и одна подводная экспедиции в Черном море с целью исследования биогеохимических процессов цикла метана. Однако результаты этих исследований, за исключением единичных статей [1, 7], не были в достаточной мере отражены в научных публикациях, в связи с чем авторы сочли необходимым опубликовать эти данные в более полном объеме. Поскольку экспериментальный материал весьма значителен и не вмещается в рамки одной статьи, авторы посчитали необходимым изложить эти данные в настоящей статье и двух последующие публикациях: "Интенсивности микробиологического образования и окисления метана в донных осадках и водной толще Черного моря" и "К вопросу о микробиологическом анаэробном окислении метана".
Цель данной статьи - представить результаты многочисленных определений содержания метана в Черном море, полученные нами в 1980-1990 гг., и сопоставить различные методы его извлечения и определения в образцах морской воды и донных отложений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалы для исследований получены в 5-м рейсе НИС "Профессор Штокман" в декабре 1980 г. на Болгарском и Северо-Западном шельфах Черного моря и в 8-м рейсе НИС "Витязь" в октябре-декабре 1984 г. на полигонах, расположенных в различных районах Черного моря (табл. 1): Каламитский (I), Дунайский (II), Болгарский (III), Анаталийский, Восточная халис-таза (V) и Западная халистаза (VI), а также в экспедиции на подводной лодке-лаборатории "Бентос" в декабре 1990 г. в районе двух подводных станций на Северо-Западном шельфе вблизи Каламитского полигона.
Эксперименты проводили на борту судна и в лабораториях Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН и Института микробиологии РАН. Пробы донных осадков отбирали дно-черпателем "Океан" и прямоточными геологическими трубами с внутренним диаметром 12 и 18 см; пробы воды - батометрами "General Ocean-ics" (США), а также через кингстон системы "Рецептор" подводной лодки "Бентос".
Извлечение и определение содержания метана осуществляли несколькими методами.
Метод А ("хедспейс-метод") с высаливанием отработан нами в 1979-1980 гг. и постоянно использовался во всех последующих экспедициях [8]. Образец донных осадков в объеме 10 см3 немедленно после отбора колонки или массива ила переносили с помощью шприца без иглодержателя в пробирки Хангейта (17 см3; "Bellco Glass", США) с 3 г NaCl и 1 г KOH (и/или 1 мг мертиолята -C9H9O2SNaHg, "Loba Chemie", ФРГ), доливали дистиллированную воду до метки, ограничивающей около 3 см3 воздушной фазы в верхней части пробирки ("head space"), герметично закрывали пробкой из газонепроницаемой резины (бутиловая резина с натуральным каучуком) и завинчивали пластмассовым колпачком. Водные образцы вносили в пробирку Балча (27 мл, "Bellco Glass", США) с 5 г NaCl и 1 г КОН (и/или 1 мг мертиолята), доливая до метки, ограничивающей около 2 см3 воздушной фазы в верхней части пробирки ("head space"), и герметизировали пробкой из вышеупомянутой газонепроницаемой резины.
Пробирки с образцами в день отбора проб кипятили на водяной бане в течение 2 ч для десорбции газов. Пробирки с пробой охлаждали до комнатной температуры и определяли содержание метана в газовой фазе. Анализ проводили на хроматографе "Carlo Erba Strumentazione" (Италия) с пламенно-ионизационным детектором при следующих условиях: газ-носитель гелий, температура детектора и инжектора 225°С, длина колонки 3 м, внутренний диаметр 2 мм, сорбент активированный алюминий 60-80 меш "Latek" (ФРГ). Расчет
Таблица 1. Координаты исследованных станций
Станция Глубина водной толщи (м) Широта (с.ш.) Долгота (В.д.)
I. Каламитский полигон
795-1 147 44°45'5 32°37 0
795-4 150 44°45'5 32°50 8
791 772 44°37'8 32°31'8
II. Дунайский полигон
843 52 44°39'5 29°48 0
848 118 44°02'5 30°18'0
601* 1050 44°02'1 29°28 2
852 1450 43°32 3 30°56 4
842 1458 43°25 6 30°41 7
III. Болгарский полигон
555* 22
559* 26
598* 55
870 57 42°47 4 28°08 1
862 61 43°04 1 28°25 1
568* 86 41°40'3 29°25 0
580* 330
620* 520
546* 1240 42°29 4 28°38 5
804 (вода) 1485 42°26 2 28°51'5
616* 1620
805-1 1605 42°27 1 28°52 1
545* 1620 42°26 3 28°44 5
IV. Анаталийский полигон
812 (вода) 2160 42°54 3 34°48 5
834 (вода) 2172 42°52 9 34°25 7
807 (вода) 2064 42°14'8 35°18 0
823 105 41°50 8 35°29'5
821 442 41°54 1 35°46'4
817 1420 42°00 4 35°36 5
814 (вода) 2180 42°50 9 34°45 9
814 2180 42°14'8 35°18 1
V. Восточная халистаза
838 (вода) 2114 42°56 3 34°45 3
839 2154 43°30 6 36°31'1
839 2160 43°30 6 36°20 5
VI. Западная халистаза
840 (вода) 2110 42°54 8 31°40'3
806-2 (вода) 2108 42°50 2 31°39 0
* Станции рейса НИС "Профессор Штокман" (1980-1981 гг.).
МКЛ СН4/Л
0 50 100 150 200 250
Рис. 1. Профили содержания метана в водной толще на станции 814, построенные на основании значений концентраций, выявленных методами А, В, С и Е десорбции газов, их анализа и расчета; врезки - профили метана в верхних (170 и 250 м) слоях.
концентрации СН4 осуществляли на основании результатов хроматографических анализов и соотношения объемов пробы (ил, вода) и газовой фазы в пробирке по формуле:
C = Vj njS p Vhsp
VsSst '
где C - искомая нативная концентрация метана в пробе (мкл/дм3 воды или сырого осадка); Vinj -объем анализируемой пробы газа, внесенной в инжектор хроматографа из газовой фазы пробирки (мкл; обычно 100 мкл); Vhsp - объем газовой фазы пробирки ("head space", мл); Vs - объем пробы, внесенной в пробирку Балча (вода - 27 см3) или Хангейта (ил - 7 см3); Sp - площадь пика метана из пробы (100 мкл) в относительных единицах интегратора; Sst - площадь пика метана из пробы (100 мкл) стандартной метановой смеси.
Метод B. В отличие от предыдущего метода анализ проб осуществляли в лаборатории через 3 мес. по возвращении из экспедиции. Пробирки с образцами прогревали на водяной бане в течение часа. Газовую фазу ("head space") анализировали на хроматографе М-3700 (Россия, АО Хроматограф, лицензия фирмы "Varían") с пламенно-ионизационным детектором при следующих условиях: газ-носитель гелий, температура детектора и
инжектора 100°С, длина колонки 3 м, внутренний диаметр колонки 3 мм, температура колонки 40°С, сорбент "Porapack Q" 80/100 меш ("Serva"). Расчет проводили, как в предыдущем случае.
Метод С. Аналогичен методу В, однако расчет концентрации СН4 осуществляли методом внутреннего стандарта с использованием метана высокой степени чистоты (99.99%). В газовую фазу пробирки с образцом ила/воды, в которой уже проведен анализ нативного метана, вводили 50 мкл метана и вновь хроматографически определяли содержание суммы нативного и введенного метана. Расчет проводили по формуле:
C =
KCX
C2 - C1
где С - искомая нативная концентрация метана в пробе (мкл/дм3 воды или сырого осадка); С1 -концентрация нативного метана (объемный %) в газовой фазе пробирки до внесения стандартного метана; С2 - концентрация суммарного (натив-ный + внесенный) метана (об. %) в газовой
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.