научная статья по теме СУЛЬФАТРЕДУКЦИЯ, ОБРАЗОВАНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА В ГОЛОЦЕНОВЫХ ОСАДКАХ ВЫБОРГСКОГО ЗАЛИВА БАЛТИЙСКОГО МОРЯ Биология

Текст научной статьи на тему «СУЛЬФАТРЕДУКЦИЯ, ОБРАЗОВАНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА В ГОЛОЦЕНОВЫХ ОСАДКАХ ВЫБОРГСКОГО ЗАЛИВА БАЛТИЙСКОГО МОРЯ»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2012, том 81, № 1, с. 84-95

ЭКСТЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 574:58:579.8.017.7(261.24)

СУЛЬФАТРЕДУКЦИЯ, ОБРАЗОВАНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА В ГОЛОЦЕНОВЫХ ОСАДКАХ ВЫБОРГСКОГО ЗАЛИВА

БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

© 2012 г. Н. В. Пименов*1, Т. А. Канапацкий*, П. А. Сигалевич*, И. И. Русанов*, Е. Ф. Веслополова*, А. Г. Григорьев**, В. А. Жамойда**

* Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва ** Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского, Санкт-Петербург

Поступила в редакцию 09.03.2011 г.

Впервые проведены измерения содержания метана и интенсивностей микробных процессов круговорота углерода и серы в осадках Выборгского залива Балтийского моря. Установлено, что формирование газонасыщенных поверхностных осадков Выборгского залива определяется активностью современных процессов трансформации органического вещества микробным сообществом, результатом жизнедеятельности которого является образование значительных количеств восстановленных газов — метана и сероводорода. Быстрое исчерпание сульфатов за счет активного процесса сульфатредукции при разложении органического вещества, с одной стороны, замедляет интенсивность анаэробного окисления метана, а с другой, приводит к активизации процессов микробного метаногенеза. Поэтому газонасыщенные осадки исследованного района становятся источником метана, что выражается в заметном увеличении его концентрации в придонных водах этого района.

Ключевые слова: покмарк, газонасыщенные осадки, сульфатредукция, метанобразование, анаэробное окисление метана, Выборгский залив, Балтийское море.

В силу географического положения, затрудненного водообмена и обильного материкового стока Балтийское море относится к высокопродуктивным морским водоемам, уровень первичной продукции в котором в среднем составляет около 190 г С м2 в год, а в Датских проливах, Рижском заливе, в российском секторе юго-восточной части Балтики эта величина превышает 200 г С м2 в год [1]. Высокая продуктивность Балтийских вод в сочетании со значительным поступлением аллохтонного органического вещества (ОВ) способствует протеканию в осадочных отложениях интенсивных микробных процессов деструкции ОВ. Терминальная фаза разложения ОВ в анаэробных условиях при участии сульфатредук-торов и метаногенов сопровождается образованием значительного количества биогазов — сероводорода и метана. Повышенное содержание этих газов отмечается в осадочной толще многих районов Балтийского моря [2, 3]. Первые масштабные исследования скоростей ключевых микробных процессов (сульфатредукции, метаногене-за и метанокисления) в восстановленных осадках открытого моря, в Рижском заливе, в илах Гот-ландской и Арконской впадины были выполнены в 70-80-е годы прошлого столетия [4]. Показано, что максимальные скорости сульфатредукции (до

1 Адресат для корреспонденции (е-шаП: npimenov@mail.ru).

5-6.6 мг 8/дм3 сут) характерны для верхнего горизонта (0-20 см) осадочных отложений. При углублении в толщу голоценовых осадков интенсивность этого процесса, как правило, снижается на 1-2 порядка. Образование метана в исследованных илах происходит преимущественно за счет восстановления углекислоты, причем наибольшие скорости образования метана наблюдаются в относительно мелководных осадках Рижского залива.

В начале семидесятых годов прошлого столетия сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР впервые были обнаружены аномалии в распределении метана в придонной воде и донных осадках Балтийского моря, связанные с разгрузкой газосодержащих флюидов, локализация которых пространственно приурочена к специфическим формам донного рельефа (углубления, кратеры и т.д.). Позднее подобные метановые кратеры (покмарки) 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 [5, 6].

В заливе Экернфьорде (Германия) на глубине около 20 м обнаружены кратерообразные структуры (покмарки), образование которых связано с

подводными выходами грунтовых вод, а не с эманацией газов. Тем не менее, в осадках таких пок-марков были зафиксированы более высокие скорости метанокисления и сульфатредукции в сравнении с фоновыми станциями этого залива [7, 8].

В 1990-х гг. сотрудниками ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского при проведении геофизических работ в Выборгском заливе с использованием метода непрерывного сейсмоакустического профилирования (НСП) было обнаружено широкое распространение толщ голоценовых алевро-глинистых илов, в которых наблюдалось рассыпание акустического сигнала [9]. Подобные акустические аномалии, как правило, связаны с высокой газонасыщенностью осадков. Кроме того, в разрезах локально были найдены воронкообразные структуры, либо выходящие на поверхность дна, либо захороненные в толще отложений. Позднее в районе Выборгского залива сотрудники ОАО "Петротранс" на поверхности дна обнаружили овальные и округлые структуры диаметром до 25 м. В 2007—2009 гг. эти кратероподобные структуры были исследованы во ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского методом гидролокации бокового обзора (ГЛБО) [9]. Микробиологические и биогеохимические исследования в этом районе Балтики до сих пор не проводили.

В этой связи целью настоящей работы было комплексное изучение микробных и биогеохимических процессов в газонасыщенных осадках и покмарках Выборгского залива Балтийского моря.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Пробы воды и донных осадков отбирали в июле 2009 г. с борта научно-исследовательского судна "Ладога", оснащенного необходимым оборудованием для проведения геофизических, геолого-геохимических и микробиологических исследований.

Выбор точек пробоотбора основывался на результатах профилирования методами НСП и ГЛБО.

НСП проводили с помощью цифрового сей-смоакустического приборно-аппаратурного комплекса GEONT—HRP производства ООО "Спектр-Геофизика". В качестве излучателя акустических сигналов использовали высокочастотный источник электродинамического типа — бу-мер. Центральная частота излучения равнялась 2000 Гц, а измеренный уровень акустических шумов позволил использовать полосу приема от 220 до 3000 Гц. В состав комплекса входит высоковольтный накопитель электрической энергии (до 200 Дж), приемная коса длиной 2 м для приема сигналов от бумера, усилитель с полосой пропус-

кания 30—10000 Гц и набором фильтров высоких и низких частот, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, цифровой блок управления и компьютер типа ноутбук. Для буксировки бумера использовали специальный небольшой катамаран. Этот комплекс позволил проводить поиск зон распространения газонасыщенных осадков с определением положения их верхней кромки (кровли). Типичная акустическая картина на сейсмограммах в пределах таких зон — это частичная или полная потеря прослеживаемости отражающих границ, расположенных непосредственно под газонасыщенными осадками.

Для выявления на поверхности дна кратерооб-разных структур использовали гидролокатор бокового обзора СМ2 фирмы "C-MAX Ltd" (Великобритания). Выбор полос обзора был сделан исходя из поставленной задачи получения детального представления о характере донной поверхности. В процессе профилирования методом ГЛБО использовали рабочую частоту 325 КГц с общей полосой обзора до 150 м, а при детализационном профилировании на отдельных участках 780 КГц с общей полосой обзора от 25 до 50 м. Антенну буксировали за кормой судна. Полученный материал обрабатывали с помощью программного пакета фирмы "Octopus Marine Systems Limited" и "MaxView".

Образцы донных осадков отбирали герметичной грунтовой трубкой типа Ниемисте и прямоточной ударной трубкой длиной 4 м. Геологическое описание разрезов, производившееся на борту судна при извлечении кернов из труб-вкладышей, позволило по характерным внешним вещественным признакам выделить основные ли-тостратиграфические горизонты, соотносимые со стадиями развития Балтийского моря. Пробы воды отбирали 5-л пластиковым батометром.

Для определения общей численности микроорганизмов (ОЧМ) пробы донных осадков фиксировали глутаральдегидом (0.5 мл 25% ГА на 5 мл осадка). Далее пробы 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 водный раствор акридинового оранжевого [10]. Подсчет бактериальных клеток проводили в люминесцентном микроскопе Axioplan Imager (Германия).

Скорости микробных процессов определяли радиоизотопным методом с использованием 14С и -^-субстратов. Немедленно после подъема на борт судна геологических пробоотборников 3 мл осадка с соответствующего горизонта помещали в пластиковые шприцы объемом 5 мл с обрезанным концом, который затем закрывали пробкой из газонепроницаемой бутиловой резины. Через

пробку в пробу вносили 0.2 мл радиоактивно меченого субстрата и инкубировали в холодильнике при температуре 5—7°С в течение 1—2 сут. Затем пробы фиксировали 0.5 мл 2 М раствора КОН и транспортировали в стационарную лабораторию. Дальнейшую обработку проб осуществляли по описанным ранее методикам [11, 12]. При определении скорости метанокисления (МО) использовали 14С-метан, растворенный в дегазированной дистиллированной воде. В пробу осадка вносили 1 мкКи 14С-метана. Скорость сульфатредукции (СР) определяли с 35S сульфатом (10 мкКи на пробу), метаногенеза (МГ) — с 14С бикарбонатом (10 мкКи на пробу) и 14С-аце-татом, меченым по метильной группе (10 мкКи на пробу). Контролем служили пробы, фиксированные щелочью и выдержанные в холодильнике 6 ч до внесения меченого субстрата.

Содержание метана в водной толще и донных осадках измеряли методом фазово-равновесной дегазации [13] известным в литературе как "head-space analysis". Пробы воды помещали в пеницил-линовые флаконы объемом 30 мл с фиксатором (КОН) для подавления микробных процессов. Затем дозатором выдавливали одинаковый объем воды, и немедленно герметично закрывали пробкой из газонепро

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.

Показать целиком