книги / Метан в водных экосистемах

возрастала, что свидетельствует об активации психротрофной мик­ робной популяции.

Сравнение метангенерирующей и метаноокисляющей активно­ стей при разных температурах показало, что при температуре ниже 15°С интенсивность окисления метана была несколько выше скоро­ сти его образования, при 15°С - примерно одинакова, а при более высокой температуре, наоборот, образование метана превалирова­ ло над окислением. То есть, метаноокисляющая микробная популя­ ция оказалась более устойчивой к понижению температуры, чем метанобразующая популяция, и проявляла достаточно высокую актив­ ность при низких температурах [189]. При исследовании скоростей образования и окисления метана в субарктических болотных почвах в интервале температур от 0 до 35°С также было показано, что про­ цесс образования метана значительно более чувствителен к пони­ жению температуры, чем процесс его окисления [320]. Для метано­ окисляющего организма низкая температура благотворна и тем, что при этом резко повышается растворимость СНд и Ог - основных суб­ стратов роста.

Бактерии, участвующие в процессе метанового брожения, до­ вольно чувствительны к различным ингибиторам [367]. Причины ин­ гибирования образования метана в среде неорганических окислите­ лей указываются различные: повышение Eh среды выше уровня, приемлемого для метанобразующих; специфическое ингибирование метанобразующего ферментного комплекса окислами азота; инги­ бирующее действие продукта восстановления сульфатов - сульфи­ да; ингибирование низкими значениями pH (pH 5,2) не только стадии метаногенеза, но и гидролиза (непосредственно или опосредован­ но) [35]. Старкенбург [229] причисляет к ингибиторам аммиак, циа­ нид, хлорсодержащие углеводороды, а также ионы тяжелых метал­ лов.

В последней четверти XX века был достигнут значительный прогресс в изучении метанобразующих бактерий, описано большое количество новых родов и видов, число которых быстро пополняет­ ся. Метанобразующие бактерии разделяют на 3 порядка: Methanobacteriates, Methanococcales и Methanomicrobiales. Каждый порядок делится на семейства их шесть: Methanobacteriaceae, Methanoiermoaceae, Methanococcaceae, MethanoMicrobiaceae, Methanoplanaceae, Methanosarcinaceae. Некоторые семейства подразделя­ ются на роды. Рода состоят из видов, число которых к настоящему времени составляет свыше 70.

По типу использования субстратов все виды метанобразующих организмов могут быть условно разделены на 3 подгруппы. Бакте­ рии первой подгруппы используют Н2+СО2, к ним относится бОЛЬ­

шинство метановых бактерий, некоторые из них способны исполь­ зовать формиат. Среди бактерий, использующих формиат, известны как мезофильные, так и термофильные. В условиях метантенка раз­ ложение формиата осуществляется культурами родов Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanospirillum, в то время как из морских мест обитания выделяются кокковидные формы родов

Methanococcus и Methanogenium [100].

Вторая подгруппа представлена ацетатиспользующими метаногенами. Скорость роста бактерий этой подгруппы достаточно низка - время генерации исчисляется сутками. Осуществлять реакцию спо­ собны представители только двух родов - Methanosarcina и Methanothrlx, причем для последних ацетат является единственным субстратом роста, с которым они обладают очень высоким сродст­ вом. Метанотриксы являются определяющей группой бактерий при очистке сточных вод, они способны использовать ацетат в очень низких концентрациях (до 7 мкм) и обеспечивают глубокую очистку стока.

К третьей подгруппе могут быть отнесены метаносарцины, спо­ собные утилизировать все известные к настоящему времени мета­ ногенные субстраты. Наиболее предпочтительным субстратом для них является метанол, наименее - ацетат, сродство к которому у них на порядок ниже, чем у метанотриксов. К настоящему времени опи­ сано несколько видов метаносарцин, в том числе термофильная М. thermophila, не использующая водород [119].

Численность бактерий и их распространение. Распростра­ нение метанобразующих бактерий связывается с местами, где про­ исходит разложение органических веществ без доступа кислорода. К таковым относятся болота, донные отложения озер и рек, почва, осадки бытовых сточных вод, морские осадки. Метаногены обнару­ жены в подземных водах, осадочных породах, в различных гидро­ термальных источниках, в пластовых жидкостях нефтяных месторо­ ждений.

Метанобразующие бактерии распространены в анаэробных зо­ нах водоемов, где они локализованы в основном в иловых отложе­ ниях. Метаногены встречаются также в придонной воде и а более высоких слоях гиполимниона, но здесь их численность невелика. В иловых осадках пресноводных озер количество метанобразующих бактерий варьирует в пределах от сотен до десятков тысяч на 1 г сырого ила в мезотрофных озерах, и от десятков тысяч клеток до десятков миллионов на 1 г ила в эвтрофных водоемах [136]. В мор­ ских осадках, как отмечается во многих работах, численность метаногенов заметно ниже, чем в осадках пресных водоемов, и состав­ ляет до сотен клеток на 1 г сырого ила [17]. Однако в осадках при-

брежных районов Японского моря, островов Куба и Янкича (Куриль­ ские острова) [175] численность метаногенов достигает 104-10® кле­ ток в 1 мл ила. Наиболее разреженные популяции метанобразующих бактерий отмечены в природных водах, где их количество не превышает уровня десятков клеток в 1 мл. Самые многочисленные популяции метанобразующих бактерий, достигающие десятков мил­ лионов клеток в 1 мл, встречаются в осадках бытовых сточных вод [107].

Согласно литературным данным [18,74,176], распространение и численность различных групп микроорганизмов, в частности, мета­ ногенных, в морских и океанических илистых осадках уменьшается с удалением от берега и с углублением в толщу донных отложений, что коррелирует с изменением содержания органического вещества. Наибольшей численности они достигают в осадках районов впаде­ ния крупных рек.

ААТополов [245], изучая микрофлору и потенциальную спо­ собность к газообразованию донных отложений Ивано-Арахлейских озер, обнаружил, что так же, как и в морских условиях, у берегов озер илы содержали больше бактерий, чем в центре; в отношении биомассы это наблюдалось не везде. Снижение общей численности и бактериальной биомассы вниз по колонке грунта вблизи берегов происходило более резко, чем в центре, хотя прямое уменьшение численности и биомассы с глубиной залегания осадка не всегда на­ блюдалось, что, по мнению автора, обусловлено возрастающим со­ держанием органического вещества в микрозонах.

Жизнеспособные клетки метанобразующих бактерий в океани­ ческих осадках в районе выноса р. Конго обнаружены до глубины 275 см [200], в осадках Каспийского моря и Калифорнийского залива -д о глубины 12 м [110]. Можно полагать, что жизнеспособные клет­ ки метанобразующих бактерий присутствуют в осадках и более глу­ боких горизонтов, но существующие микробиологические методы остаются недостаточно чувствительными для их выявления. При­ менение радиоизотопных методов позволило однозначно доказать, что микробиологический процесс, осуществляемый метанобразующими бактериями, протекает по всей толще исследованных осадков Каспийского моря до глубины 114 м от поверхности дна [110]. Тео­ ретически образование метана будет продолжаться до тех пор, пока бактерии сохраняют жизнеспособность и органическое вещество содержит кислородные соединения и питательные вещества.

В изученных осадках прибрежных районов Японского моря, ост­ ровов Куба и Янкича (Курильские острова) [175] выявлена корреля­ ция между активностью метаногенов и их видовым разнообразием. Больше бактериальных видов (до пяти-семи) обнаружено в при­

брежных осадках. Ранее в пробах Черноморских илов было обнару­ жено от 7 до 12 видов [72]. В целлюлозоразлагающих накопитель­ ных культурах, выделенных из морских осадков, было выявлено до 10 видов метаногенов [177].

Изучение видового разнообразия метанобразующих бактерий в морских и озерных осадках выявило доминирование представите­ лей рода Methanobacterium [175, 400, 401,418].

3.3. Интенсивность образования метана в водных экосистемах

Центральное место в цикле метана занимает процесс бактери­ ального метанообразования. В восстановленной среде донных осадков микробиологически образуется огромное количество мета­ на. В морских условиях достаточно мощными источниками являются метановые газогидраты в отложениях, метановые сипы, "чёрные ку­ рильщики" в рифтовых зонах океана. Однако, как правило, основ­ ным источником генерации метана, содержащегося в водных объек­ тах, являются донные осадки. Интенсивность образования метана в донных отложениях водных объектов зависит от многих факторов: количества и доступности субстратов - предшественников метана, температуры, окислительно-восстановительного потенциала грун­ тов, содержания сульфатов и нитратов, количественного и качест­ венного состава микробного сообщества. Эти факторы обусловлены разнообразием климатических, гидрологических и гидрохимических условий, морфологией дна, воздействиями антропогенного характе­ ра. На различных станциях отбора проб одного и того же водного объекта в зависимости от этих факторов скорость генерации метана может существенно изменяться.

Внекоторых случаях процесс образования метана может проте­ кать и в воде. Образование метана в водной толще зафиксировано

вМарийских озёрах [16], озере Могильном [113], озере Кнаак [411] и других озёрах [389], в воде водохранилищ и водотоков Верхней Вол­ ги [83], а также в анаэробной толще воды Чёрного моря [203].

Вмиромиктическом озере Могильное зона максимальной скоро­ сти метаногенеза (0,434-0,655 мкл/л сут), расположенная на глуби­ нах 10,5-15,5 м, совпадала с зоной его максимального содержания (31,1-51,1мкл/л). Выше этой зоны, по мере приближения к контакту с аэробной зоной, скорость метаногенеза снижалась на порядок, уменьшалась и концентрация метана (5,08-9,53 мкл/л). Образование небольшого количества метана (0,026-0,029 мкл/л сут) отмечено и в зоне совместного присутствия метана, кислорода и сероводорода на горизонтах 8,25-8,75 м. На глубине 8 м и выше образования ме­ тана не наблюдалось, а его содержание не превышало 1,0 мкл/л.

Авторы [113] отмечают нехарактерное для большинства водных объектов падение скорости метаногенеза в придонном слое воды (15,5 м) и в донных осадках, что объясняют исчерпанием легкодос­ тупного органического вещества за счёт его интенсивного потребле­ ния в верхних частях анаэробной водной толщи. Другой причиной снижения содержания метана, а также сероводорода в придонных водах котловины оз. Могильное, может служить постоянный приток свежей морской воды, имеющей более высокую плотность по срав­ нению с водой озера. Практически на всех горизонтах водной толщи и донных осадках основная часть метана (от 55 до 100 %) образует­ ся за счёт автотрофного метаногенеза.

Вгиполимнионе Марийских озёр в период летней стагнации процесс образования метана в воде, напротив, протекал исключи­ тельно за счёт использования ацетата [16]. Интенсивность генера­ ции метана была крайне низкой - 0,0026-0,013 мкл/л сут.

ВЧерном море при изучении профилей распределения интен­ сивности образования метана в водной толще в интервале глубин от 100 до 300 м [203] значения скорости метаногенеза на ацетате характеризовались также низкими, близкими к Марийским озерам (менее 0,01 мкл/(л сут)) величинами, а основное количество метана образовывалось из СО2+Н2 (до 4,5 мкл/(л сут)). Заметные величины скорости метаногенеза в верхней части анаэробной зоны Черного моря обнаруживались только на отдельных горизонтах.

Процесс генерации метана в водной толще характерен и для сильно загрязнённых органикой участков водотоков и водоёмов. По данным [83], в поверхностных водах водохранилищ и водотоков

Верхней Волги, подверженных массированному органическому за­ грязнению, идёт бактериальный метаногенез со скоростью 1,5-8 мкл/л в сутки. В р. Серовка, представляющей собой коллектор тех­ нических отходов, скорость образования метана достигала 28 мкл/л сут, а в анаэробном гиполимнионе затопленного эвтрофного озера Видогощь в середине лета шёл метаногенез с интенсивностью до 400 мкл/л сут.

Уинфри и Зейкус [411] исследовали микробиологическое обра­ зование метана в водной толще и иловых отложениях пресноводно­ го эвтрофного миромиктического оз. Кнаак (штат Висконсин). В верхних слоях воды (выше 16 м) образование метана не обнаружи­ валось (табл.9), генерация газа наблюдалась на глубине 18-21,5 м и протекала с наибольшей активностью в поверхностном слое иловых отложений.

Таким образом, в эвтрофных водных объектах, в водоёмах с за­ стойным режимом вод, при дефиците кислорода, в водоёмах и во-

Интенсивность образования метана в озере Кнаак (по [411])

Глубина, м	Интенсивность образования метана,
	мкл/(лсут)
16	0,0
18	27,4
21	16,5
21,5	32,9
поверхность осадков	416,9
толща осадков	65,8

дотоках, подверженных мощному загрязнению органическим веще­ ством, процесс образования метана может протекать и в водной толще. Вероятно, в этом случае анаэробные метаногены функцио­ нируют внутри взвешенных в воде органических частиц. В некото­ рых случаях скорость генерации метана в воде может быть сопос­ тавима со скоростью его образования в донных осадках.

Как правило, распределение интенсивности метанобразования коррелирует с распределением численности микроорганизмов по разрезу осадков [16,143,180]. А.Ю. Леин с соавторами [145], изучая колонки осадков Балтийского моря, наблюдали совпадение только верхних максимумов интенсивности метаногенеза с численностью бактерий, а вниз по разрезу клетки метанобразующих бактерий не выявлены, в то время как процесс метанобразования надежно фик­ сировался появлением "меченого" метана. Этот факт, как считают ученые, объясняется несовершенством существующих в настоящее время методик определения численности микроорганизмов посевом на элективные среды. Более надежным методом выявления жизне­ способности микрофлоры считаются радиоизотопные методы.

Исследования Ç.C. Беляева и соавт. [16] показали, что интен­ сивность процесса метанобразования в илах озера Кузнечиха дос­ тигает 7800,0 мкл СН4 на 1 л сырого ила в сутки. В донных отложе­ ниях озёр Черный и Большой Кичиер интенсивность метанобразо­ вания ниже и составляет соответственно 525,0 и 44,0 мкл/(л сут). Однако, при расчете интенсивности образования метана в илах на одну жизнеспособную клетку получаются величины, близкие между собой - (4,2-17,8)-10'5 мкл СН4 на клетку в сутки. Это дало основа­ ние считать, что активность процесса в илах исследованных озер определяется в основном численностью метанобразующей популя­ ции.

К сожалению, очень часто длина описываемых в литературе ко­ лонок донных осадков недостаточна для составления целостной

картины распределения величин интенсивности генерации метана. Опубликованные в настоящее время многочисленные данные о ско­ рости образования метана в донных осадках континентальных во­ доемов, как правило, относятся к верхним горизонтам отложений (до 0,5 м), в редких случаях более (до 2 м). По морским и океани­ ческим осадкам эти сведения также отрывочны, хотя длина описы­ ваемых колонок более существенна, чаще 2-3 м (до 6 м). Имеются единичные данные о распределении значений интенсивности гене­ рации метана в колонке длиной до 114 м [110].

Изучение характера распределения величин скорости метаногенеза в толще осадков (до 50-100 см) различных континентальных водоемов (рыборазводные пруды [168,169], Таловское водохрани­ лище [209], озеро Байкал [179,180], озера Кизаки и Сува [356], озёра Три Систер и Фрайнс [349], озера Кузнечиха, Черный Кйчиер и Большой Кичиер [14,16] показало, что в большинстве изученных ко­ лонок максимальные значения скорости процесса встречаются в по­ верхностных (0-5 см) или подповерхностных (5-10 см) слоях осад­ ков. Реже отмечается несколько максимальных пиков или интенсив­ ность генерации метана нарастает вглубь ила.

Несколько максимумов выявлено в толще осадков Среднего Байкала, а на станции, расположенной напротив впадения р. Селен­ га, максимальная скорость (32,2 мкл/(кг сут)) обнаружена в отложе­ ниях на горизонте 2 м [180]. В донных осадках вулканического озера Грин, расположенного на острове Рауль (о-ва Кермадек, Тихий оке­ ан), также обнаружено несколько максимумов: наибольшая скорость - 160,79 мкл/(кг сут) - наблюдалась в слоях 6-9 см, второй максимум находился на глубине 15-19 см [230].

В водоемах оазиса Бангер Хиллс (Антарктида) интенсивность бактериального метанобразования возрастала с глубиной восста­ новленных осадков [53]. Во всех исследованных иловых колонках максимальные скорости этого процесса выявлялись ниже макси­ мальных величин сульфатредукции. Так, в иловой колонке из озера Полянского мощностью до 80 см профиль скорости метанобразова­ ния носил экстремальный характер с максимальными значениями в горизонте 30 см. Подобные тенденции профилей интенсивности метаногенеза были показаны для осадков залива Скэн Бэй (Skan Вау) [296], а также для одного из голландских водохранилищ (Adams, Van Eck, 1988), где в верхнем 10-см слое грунта доминировал процесс восстановления сульфатов, а зона активного метаногенеза распола­ галась на глубине 10-30 см от поверхности.

Так же, как и в континентальных водоемах, в морских бассейнах установлены различные профили распределения скоростей образо­ вания метана в толще отложений. В одних случаях максимальные

значения отмечаются в поверхностных слоях, в других интенсив­ ность генерации метана нарастает вглубь ила, в-третьих отмечается несколько максимумов.

При анализе вертикального распределения скорости метаногенеза в толще океанических осадкрв мощностью до нескольких мет­ ров (3-6 м) нигде не удалось достигнуть нижней границы зоны ак­ тивного процесса образования метана [17,112]. В толще донных осадков Черного моря современная бактериальная генерация мета­ на также выявлена во всей изученной мощности осадка (до 350 см) [73], хотя, судя по имеющимся данным, наиболее активна она в верхних горизонтах отложений или имеет несколько максимумов [112]. В современных и четвертичных отложениях Каспийского моря Минобразование экспериментально установлено до глубины 90114 м [110]. В этих отложениях ниже поверхностного слоя, в котором наблюдается активный процесс редукции сульфатов, в горизонтах 2-12 м выявлена максимальная интенсивность метанобразования (38,7-47,4> 10'6 мл/(кг сут). Еще ниже, в интервале глубин 13-114 м, интенсивность метанобразования уменьшалась с глубиной на 1-2 порядка и изменялась в пределах (0,3-3,2)'10'в мл/(кг сут).

В илах шельфовых станций Южно-Китайского моря максималь­ ная интенсивность процесса приходится на горизонт 20-70 см [140]. При уменьшении глубины моря наиболее активный подповерхност­ ный горизонт приближается к поверхности осадков, где наиболее интенсивно протекает процесс редукции сульфатов при этом ско­ рость процесса метаногенеза уменьшается. При увеличении глуби­ ны расположения станций слой осадков, где процесс образования метана протекает с максимальной скоростью, опускается с 15-20 до 100-110 см. В илах станций перуанского профиля наибольшая ско­ рость микробиологического образования метана также отмечена в нижних горизонтах осадков.

Вверхнеголоценовых осадках Балтийского моря на одних стан­ циях максимумы скорости метанобразования приходятся на гори­ зонты 50-150 см, на других - на самые верхние горизонты илов [143, 145].

Врайоне устья р. Конго в илах основания материкового склона наибольшая интенсивность микробиологического образования ме­

тана ((12,6-162,0)10® мл/(кг сут)) отмечалась в нижних горизонтах. На глубоководных станциях, расположенных на подножье континен­ тального склона, интенсивность метаногенеза составляла (6,1- 793,0)-10'® мл/(кг сут) и достигала максимальных величин в горизон­ тах 100-110 и 250-275 см. В приустьевой зоне р. Конго на среднем и внешнем шельфе интенсивность метанобразования составляла (7,1-581,0)-10'6 мл/(кг сут), а наибольшая скорость этого процесса

(150,0-581,0)-10"® мл/(кг сут) наблюдалась в верхних (0-20 см) гори­ зонтах осадков [200].

Максимальный пик продукции метана (до 140 мкл/(л сут)) в осадках дельты Дуная и болгарского континентального шельфа на­ ходился ниже слоя 0-30 см [146].

Вбольшинстве колонок илов эстуариев рек Енисей и Обь на­ блюдается четкое нарастание скорости образования метана сверху вниз по разрезу, хотя максимальная интенсивность метаногенеза была зафиксирована в поверхностном слое осадков (0-10 см) (эс­ туарий р. Обь, ст.4417) [148].

Восадках рифта Таджура высокие скорости метанобразования,

превышающие 100-10'3 мкг/(кг сут), встречены уже в верхнем гори­ зонте 0-20 см [144]. В ряде случаев максимальные скорости процес­ са обнаружены а интервале 60-115 см.

Вдонных отложениях Берингова моря в подавляющем боль­ шинстве. максимальные интенсивности метаногенеза обнаружены в верхних 15 см, и лишь в осадках одной станции максимальная ин­ тенсивность зафиксирована в нижних горизонтах опробования ила [74].

Анализ распределения интенсивности метанобразования по площади водных объектов показывает, что минимальные величины этого процесса характерны для, прибрежных песчанистых осадков. По мере удаления от береговой линии и перехода от песчаных осадков к глинистым илам скорость генерации метана существенно возрастает. Однако максимальные величины редко приурочены к наиболее глубоководным осадкам, поскольку скорость осадконакопления и лабильность органических веществ, контролирующие мик­ робиологические процессы, в осадках глубоководных участков не­ велики. Как правило, наиболее высокая скорость образования ме­ тана характерна для отложений участков, где интенсивно аккумули­ руется органический материал, поступающий от различных источни­ ков (реки, ручьи, сточные воды и т.д.).

Вверхнеголоценовых осадках Балтийского моря наблюдается

уменьшение продуктивности метана от мелководных осадков зали­ вов к глубоководным осадкам впадин [145]. Так, максимальное ко­ личество метана генерируется в илах Рижского залива ((17,43- 27,84)-10'3 мл/(кг сут)), а минимальное - в осадках Готландской впа­ дины (0,36-10'3 мл/(кг сут)).

В озере Байкал (табл.10) максимальная скорость метаногенеза обнаружена в осадках бухты Фролиха, в зоне развития микробных матов (до 534,7 мкл/(кг сут)). Высокие скорости метаногенеза (до 73,9 мкл/(кг сут) обнаружены в осадках бухты Хакусы. В глубоковод-

Скорость метаногенвза в осадках озера Байкал (по [179])

Глубина, м	Горизонт, см	Скорость, мкл/(кгсут)
4-189	0-45	0,01-25,29
267-922	0-205	0,01-32,20
420-430	0-23	0,39-534,70
1503-1530	0-100	0,004-19,33

ных отложениях (глубины 1503-1530 м) скорость образования СН4 падает до,0,004-19,3 мкл/(кг сут). Низкие скорости метаногенеза вы­ явлены в прибрежных песчанистых осадках [179].

В осадках восточной части Черного моря минимальные значе­ ния интенсивности метанобразования отмечались на участках с глубинами 20-100 м. С увеличением глубины и сменой аэробного режима вод на анаэробный (сероводородное заражение) повыша­ лась и скорость генерации метана в осадках [132]. В районе приус­ тьевого взморья р. Дунай интенсивность генерации на порядок и более превышала скорость этого процесса в осадках континенталь­ ного шельфа [146].

Сравнение абсолютных величин интенсивности метаногенеза в различных участках Берингова моря [74] показывает, что минималь­ ные величины процесса характерны для мелководных осадков и осадков верхней части склона. Более интенсивно процесс осущест­ вляется метаногенными бактериями в нижней части склона, а мак­ симальные значения выявлены в глубоководных осадках.

Обобщая имеющиеся данные, можно отметить, что в донных отложениях низкоминерализованных пресных озер и водохранилищ скорость метаногенеза варьирует в пределах 0,007-106000,0 и 0,0124600,0 мкг/(кг сут) соответственно (табл. 11). Наиболее интенсивно образование метанапроходит в отложениях эетрофных озер в пе­ риод стагнации и в местах антропогенного загрязнения.

Скорость бактериального образования метана в донных осадках умеренно минерализованных содовых озер и морских бассейнов соответственно составляет 0,07-6,1 (см. табл.11) и 0,00015-137,1 мкг/(кг сут.) (табл.12), что гораздо ниже данных, полученных для низкоминерализованных пресных озер и водохранилищ.

Более низкие скорости образования метана в донных осадках содовых озёр и морских бассейнов связано с тем, что в природных экосистемах, обогащенных сульфатами, основная доля энергии, по­ лучаемой при анаэробной деструкции органического вещества, рас­ ходуется на сульфатредукцию - реакцию, энергетически более вы-