ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2008, № 5, с. 455-479
УДК 551
ЦИКЛ МЕТАНА В БАРЕНЦЕВОМ МОРЕ
© 2008 г. А. Ю. Леин, Н. В. Пименов*, И. И. Русанов*, Г. А. Павлова, А. С. Саввичев*, 3. И. Верховская
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117851 Москва, Нахимовский проспект, 36; E-mail: lein@ocean.ru * Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН 117811 Москва, проспект 60-летия Октября, 7/2; E-mail: pimenov@inmi.host.ru
Поступила в редакцию 10.12.2007 г.
Изучен биогеохимический цикл метана в Баренцевом море с использованием радиоизотопов для определения скорости микробных процессов метанокисления. Установлено, что в окисленных поверхностных и слабовосстановленных осадках протекают микробиологические процессы (потребление глюкозы, 14С02-ассимиляция, сульфатредукция, и метанокисление с низкой скоростью), при этом
2_
сверху вниз по колонкам концентрация S O4 изменяется незначительно, отсутствует и заметный рост величины Alk и значений N/NH4. Микробная продукция метана составила 0.111 х 106 моль сут-1, микробное потребление метана в водной толще, с учетом ее объема, достигает 1.8 х 106 моль сут-1.
Баренцево море - это окраинное море Северного Ледовитого океана. Большая его часть представляет собой арктический шельф, самый обширный из всех известных арктических шельфов, ширина которого достигает 1500 км. Сложная топография морского дна, с чередованием глубоких желобов и мелководных банок, контролирует вертикальную и горизонтальную циркуляцию вод.
По характеру формирования биопродуктивности Баренцево море, по определению М.Е. Виноградова и Э.А. Шушкиной [2001], относится к аркто-бореальным, в которых основная роль в биопродуктивности принадлежит притоку атлантических вод, ответственных за возникновение фронтальных зон и связанных с ними явлений апвеллинга и даунвеллинга.
Автохтонное органическое вещество создается фитопланктоном, среди которого преобладают ди-
атомовые водоросли. Среднегодовая величина первичной продукции составляет 0.11 г С м-2 сут-1 (в океане 0.45 г С м-2 сут-1), что позволяет относить Баренцево море к мезотрофным (0.1-0.5 г С м-2 сут-1) водоемам [Романкевич, Ветров, 2001].
В составе взвеси помимо автохтонного присутствует аллохтонное органическое вещество. Ал-лохтонная составляющая взвеси - это, главным образом, взвесь р. Печоры, материал абразии берегов, эоловый материал и пелитовые частицы так называемого "ледникового молока", выносимого в море талыми водами ледников.
Концентрацию метана в Баренцевом море изучали в трех экспедициях (табл. 1, рис. 1). В 19971998 гг., кроме определения концентрации метана, измеряли скорость его микробного окисления (табл. 2-4).
Таблица 1. Экспедиции, в которых выполнялись работы по циклу метана в Баренцевом море (ИО РАН, ИНМИ РАН)
Начало-конец рейса № рейса НИС Районы исследования
28.06-21.09 1976 г. 23 "Академик Курчатов" Профиль от Мурманска до Земли Франца Иосифа, 70-79° с.ш.
27.08-15.09 1997 г. 11 "Академик Сергей Вавилов" Субмеридианальные профили: 70-80° с.ш.; 40° в.д. 75-80° с.ш.; 60° в.д. и др.
октябрь, ноябрь 1998 г. 8 "Академик Федоров" Материковый склон котловины Нансена; профиль Земля Франца Иосифа-о. Виктория
с.ш.
5 4
В.Д.
Рис. 1. Местоположение станций опробования в Баренцевом море.
1-3 - номера станций: 1 - 11 рейс нис "Академик Сергей Вавилов"; 2 - 8 рейс нис "Академик Федоров"; 3 - 23 рейс нис "Академик Курчатов".
Активные процессы фотосинтеза приводят к пересыщению вод кислородом в летний период. Кислород содержится в количествах, превышающих 5 мл/л, даже в придонных водах крупных желобов - Западно-Новоземельского и Франц-Виктория [Романкевич, Ветров, 2001]. Следовательно, и в водной толще и поверхностных илах существуют аэробные условия, в которых микробное образование метана in situ может происходить только в отдельных микроанаэробных нишах, как во взвеси, так и в осадках.
Бактериопланктон в Баренцевом море исследовали многие микробиологи, в частности Б.Л. Исаченко [1914] и В.А. Байтаз с коллегами [1996]. Из этих работ следует, что бактериопланктона в Баренцевом море мало. Наши исследования в 1998 г.
показали, что в северных районах Баренцева моря (80-82° с.ш.) общая численность микроорганизмов (ОЧМ) колеблется от 10-16 до 200240 тыс. клеток в 1 мл (см. табл. 2) [Саввичев и др., 2001]. Эти величины близки к оценкам ОЧМ в районе Северного полюса (10 тыс. кл. мл-1) [Крисс, 1958] и в несколько раз меньше, чем в южных районах моря, по данным других авторов.
КОНЦЕНТРАЦИЯ МЕТАНА В ВОДНОЙ ТОЛЩЕ
Первые измерения концентрации метана в водной толще были проведены в 1976 г. (см. табл. 3). В ходе этих измерений пробы из приемной емкости вакуумной установки поступали на экспрессный
а s
H
о a о
4
s »
s
я о а
M со Я Е м
5
о
о
я >
M
Е
м
о о
Таблица 2. Микробиологические и биогеохимические параметры водной толщи Баренцева моря (сентябрь-октябрь 1998 г.)
№ станции; глубина, м Горизонт, м Координаты Alk, мг-экв л-1 Общая численность бактерий, 103 кл мл-1 Биомасса бактерий, мкг л-1 Потребление глюкозы Ассимиляция со2 Концентрация СН4, нмоль л-1 Окисление СН4, нмоль л-1 сут-1
мкмоль С л 1 сут 1
40 2.6 110 23.1 0.67 2.08 5.8 0.013
Ст. 1; 247 130 81°34' N 44° 18' Е 2.6 130 27.3 0.60 1.92 6.3 0.604
245 2.5 90 19.9 4.58 2.75 6.7 0.010
5 2.7 80 16.8 1.25 5.3 0.005
25 2.6 20 4.2 1.17 5.8 0.010
Ст. 2; 558 50 100 81°47' N 40°46' Е 2.7 2.8 65 150 13.7 31.5 0.67 0.54 0.92 1.17 7.1 5.8 0.003 0.003
200 2.8 80 16.8 0.75 1.17 6.3 0.002
400 3.0 190 40 0.67 1.08 7.1 0.001
2 2.6 16 3.7 1.83 1.83 5.8 0.001
20 2.6 44 9.2 1.338 2.25 7.1 0.002
Ст. 4; 790 120 82°00' N 38°58' Е 2.5 70 14.7 3.677 1.08 8.0 0.001
500 2.9 10 2.1 4.58 1.83 4.9 0.003
прид., 750 2.8 6.33 1.42 4.5 0.004
25 2.6 17 3.6 5.00 1.50 6.7 0.0005
Ст. 5; 1054 40 100 82°00' N 37°33' Е 2.5 2.8 13 50 2.7 11 1.17 2.25 0.83 1.58 6.7 7.1 0.003 0.013
прид., 1050 2.9 80 16.8 0.77 0.83 7.6 0.0005
25 2.6 34 7.1 1.75 1.75 3.1 0.003
Ст. 6; 155 50 80°38' N 44°26' Е 2.6 70 14.7 2.42 1.33 3.6 0.003
275 3.0 200 42 2.08 1.83 2.2 0.003
поверхн. 2.6 20 4.2 4.08 1.67 3.6 0.003
Ст. 8; 154 15 100 80°28' N 42°08' Е 2.5 2.6 10 15 2.1 3.2 0.75 4.08 1.50 1.75 3.6 4.0 0.004 0.003
прид., 150 2.9 100 21 2.50 1.83 4.5 0.003
С S
я
m
ч >
х >
и
и >
ч m X с m и о
о
ч
m
(л
-о
(л
оо
У S
Ч О а о
4
5 »
S
я о а м со Я Е м
S
о
о
я >
м
Е
м
Ю
о о
№ станции; глубина, м Горизонт, м Координаты Alk, мг-экв л-1 Общая численность бактерий, 103 кл мл-1 Биомасса бактерий, мкг л-1 Потребление глюкозы Ассимиляция со2 Концентрация СН4, нмоль л-1 Окисление СН4, нмоль л-1 сут-1
мкмоль С л 1 сут 1
поверхн. 2.6 20 4.2 0.67 1.83 4.0 0.001
20 2.5 20 4.2 0.58 1.58 4.5 0.012
Ст. 9; 350 50 80°24' N 41°34'Е 2.6 30 6.3 1.17 1.33 4.5 0.006
170 2.9 10 2.1 1.25 0.57 4.0 0.004
прид., 340 2.9 16 3.4 1.50 0.37 4.9 0.001
поверх. 2.6 105 22.1 3.83 1.00 4.5 0.0005
25 2.6 95 20 1.42 1.83 4.9 0.001
Ст. 10; 252 90 80°23' N 40°30' Е 2.6 120 25.2 1.25 2.17 5.4 0.010
180 2.9 80 16.8 2.25 1.75 5.4 0.007
прид., 250 2.9 7.50 1.92 5.4 0.004
поверхн. 2.6 240 50.4 0.77 0.92 4.5 0.008
Ст. 11; 254 20 80°19' N 2.5 90 19 1.58 1.17 4.9 0.011
100 39°59' Е 2.9 90 19 1.42 0.70 4.9 0.011
прид., 250 2.8 105 22.1 2.92 1.50 5.4 0.007
поверхн. 2.6 90 19 2.00 1.34 4.5 0.005
25 2.5 65 13.7 4.00 1.75 4.0 0.003
Ст. 12; 85 40 80°17' N 39°21' Е 2.6 70 16 1.17 1.00 4.9 0.006
60 2.7 85 18 2.67 1.00 5.4 0.011
прид. 2.8 90 19 2.54 0.65 5.4 0.001
поверхн. 2.6 10 2.1 0.80 1.34 4.5 0.007
60 2.7 13 2.7 2.50 1.25 5.8 0.010
Ст. 15; 316 100 79°39' N 38°38' Е 2.8 90 19 1.34 1.25 5.8 0.006
180 2.9 10 2.1 1.19 1.67 6.7 0.005
прид., 310 2.9 20 4.2 2.96 2.17 4.5 0.010
Всего проб - 49 Х2571 Х248
Поверхностный слой - 8 Х36.7
Придонный слой - 8 1,42.2
И К X
м тз
Таблица 3. Концентрация СН4 в водной толще Баренцева моря (по материалам З.И. Верховской)
№ станции; глубина, м Район Координаты, с.ш.; в.д. Горизонт, м Концентрация СН4, нмоль л-1
2014; 207 Мурманская банка 71°18'1; 34°34'2 65 130 1.3 1.25
206 1.88
2018; 190 Рыбачья банка 70°05'249; 31°57'539 60 170 2.4 2.4
189 2.4
50 2.0
2020; 254 Рыбачья банка 70°27'4; 32°44 3 100 155 205 2.32 0.94 1.25
2028; 247 72°13'7; 36°39 1 50 200 17.4 40.6
Центральное плато 244 44.6
2029; 260 71°42'1; 35°24'8 155 180 258 17.1 23.7 44.8
30 6.4
2037; 242 Центральная возвышенность 74°01'9; 41°06'7 100 105 240 1.5 1.9 9.5
50 20.1
2038; 250 Центральное плато 72°34 8; 37°27 2 95 195 248 1.3 2.9 4.9
90 3.3
2039; 272 Центральное плато 72°03 8; 36°15 0 145 200 270 2.8 3.3 5.6
50 2.0
2041; 275 73°41'05; 40°06 1 95 150 1.7 1.7
Центральная 273 1.2
возвышенность 45 3.2
2042; 232 76°50 0; 48°37 0 100 150 230 2.0 1.6 1.3
105 2.5
2044; 225 76°33 3; 47°48 1 150 205 1.1 0.8
Банка Самойлова 220 1.3
2048; 320 76°58 3; 49°00 9 105 250 316 4.5 2.7 1.8
Таблица 3. Окончание
№ станции; глубина, м Район Координаты, с.ш.; в.д. Горизонт, м Концентрация СН4, нмоль л-1
2049; 228 Банка Самойлова 76°26'2; 47°25'1 45 95 150 226 2.6 2.5 3.0 1.7
2051; 234 Банка Самойлова 76°01'627; 46°48'863 95 150 205 230 1.6 2.0 1.8 1.7
2052; 320 Желоб Самойлова 75°25'9; 44°33 2 55 205 318 2.3 1.3 1.4
2057; 284 Центральное плато 73°19'0; 39°12 2 55 150 282 1.0 1.7 2.0
2058; 284 Центральное плато 72°55 089; 38°19'039 55 150 282 1.8 2.3 2.4
Количество проб - 54 Сумма* 144.14 Ср. 2.67
Придонный слой - 14 Сумма 39.08 Ср. 2.79
Примечание. * В £ 144.1 не вошли 6 проб ст. 2028 и 2029, средняя концетрация метана в которых выше на порядок величин (31.4 нмоль л-1), чем в остальных пробах. Нижний горизонт каждой станции (за исключением 2020) - придонный.
анализ на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором. Расчеты проводили методом абсолютной калибровки по высотам хроматогра-фических пиков. Для определения метана использовали калибровочные смеси, хранившиеся в стандартных баллончиках и имеющие близкие значения с анализируемыми проб
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.