книги / Метан в водных экосистемах

вдонных отложениях, равное 0,1 мкг/г сырого ила, следует принять за фоновую величину.

Зона повышенного содержания метана в донных отложениях вытянута в восточном направлении от места выпуска сточных вод в виде разделяющегося на два рукава шлейфа (см. рис.37б). Локаль­ ные очаги генерации метана обнаруживаются как восточнее р. ХараМурин (точки 16-2, 17-1), так и западнее р. Б.Осиновка (точки 65 и 67, 103 и 109). Направление и положение зоны повышенных концен­ траций метана в донных отложениях хорошо увязывается и с ре­ зультатами исследования распределения антропогенных сульфатов

вводе озера и изотопного состава углерода органического вещест­ ва донных отложений [254,266].

Выполненные исследования показали, что, несмотря на далеко не благоприятные для генерации метана условия (относительно низкие температуры, высокое содержание кислорода и хорошую вентилируемость озера), этот процесс, тем не менее, протекает. Распределение содержания газа в донных отложениях по площади и глубине озера свидетельствует о том, что метан имеет современ­ ное бактериальное происхождение. Причем отчетливо проявляется приуроченность очагов генерации метана к районам постоянного антропогенного давления, каковыми являются зона влияния БЦБК и зоны смешения вод некоторых рек и озера. В таких районах проис­ ходит накопление органического вещества, представленного пре­ имущественно древесными остатками и целлюлозой, и сульфатов, которое благоприятствует развитию сульфатредуцирующих и метанобразующих бактерий [71,123].

Это подтверждается также данными по изотопному составу уг­ лерода органического вещества, диоксида углерода и метана: в со­ ответствии с моделью, предложенной [79] и описывающей образо­ вание изотопного состава разновидностей природных газов Земного шара (СО2-СН4), установлено, что метан исследованных донных от­ ложений оз. Байкал имеет современное биогенное происхождение [251].

Озеро Тамбукан

Озеро Тамбукан (Большое Тамбуканское) расположено в 12 км к юго-востоку от г. Пятигорска. В административном отношении тер­ ритория озера находится в пределах Предгорного района Ставро­ польского края, и лишь южная её часть относится к Зольскому рай­ ону Кабардино-Балкарии.

Тамбуканское озеро представляет собой мелководный, не имеющий стока бассейн неправильной овальной формы. Дно котло­ вины оз. Тамбукан плоское, почти горизонтальное, ширина его око­

ло 1,0 км, длина - 2,0-2,5 км. Расчленённость территории сравни­ тельно высокая. Котловина озера приурочена к долине реки Этоки, относящейся к бассейну реки Кумы.

В озере Тамбукан ведётся добыча лечебной грязи. В последние два десятилетия на озере наблюдается беспрецедентное повыше­ ние уровня воды (более чем в 2 раза), что обусловлено изменением соотношения природно-расходных статей в водном балансе озера. Максимальная глубина в настоящее время составляет около 5,8 м, против 3,1 м в 1965г. Повышение уровня воды, в свою очередь, при­ вело к критическому уменьшению минерализации рапы в озере (с 60,9-80,9 г/дм3 в 1966-1978гг до 24,0-32,4 г/дм3 в 1986-1997гг) и мо­ жет сказаться на качестве лечебной грязи.

Исследования озера Тамбукан проводились трижды: в осенний (октябрь 2000 г.), зимний (декабрь 2001 г.) и летний (июнь 2003 г.) периоды [252]. Отбор проб рапы производился по всему периметру озера, донных отложений - в прибрежной зоне и из ковша на участ­ ке грязедобычи (рис.39). Помимо содержания метана в донных отло-

Рис. 39. Станции отбора проб на озере Большой Тамбукан.

жениях определялась концентрация сульфидов, численность метанобразующих и сульфатредуцирующих бактерий.

Содержание метана в осенний период в рапе варьировало в пределах 4,1-9,5 мкл/л (в среднем 6,1 мкл/л). В илах его концентра­ ция у берега составляла 0,24 мкг/г в.в., на участке грязедобычи в лечебной грязи (центр озера) - 0,42 мкг/г в.в. В данный период, как в воде, так и в отложениях отмечена слабая тенденция к возрастанию

концентрации метана в направлении от берега к центральной части озера.

Более масштабные исследования были проведены в декабре 2001 г. Концентрация метана в рапе озера изменялась от 1,0 до 9,1 мкл/л (в среднем 6,4 мкл/л), что близко к ранее полученным данным. Привлекает внимание, повышенное содержание метана в воде ру­ чья (ст. 4 - 27,8 мкл/л), протекающего возле ресторана "Нартсана" Это может быть связано с тепловым и органическим загрязнением воды ручья. Метан в поверхностном слое донных отложений озера в данный период содержался в количестве 0,03-0,59 мкг/г в.в. За ис­ ключением станции 2, расположенной на западном побережье воз­ ле автотрассы Ростов-Баку, концентрация метана в верхнем слое осадков прибрежных станций озера ниже, чем в пробе лечебной грязи, отобранной на участке грязедобычи.

Содержания метана в поверхностной рапе озера в летний пери­ од 2003 г. (июнь 2003 г.) была несколько выше, варьируя в пределах от 10,0 до 23,4 мкл/л. На линии расположения станций отбора проб - станции 8, 101, 102, 103, 104 и несколько отстоящей в стороне ст. 9 - содержание метана изменялось в узких пределах - от 10,0 до 11,3 мкл/л. На юго-западе водоёма (ст. 5 и 6) концентрация метана составляла 10,0-10,1 мкл/л. Как и в зимний период наиболее высо­ кими содержаниями характеризовались пробы рапы на западной оконечности озера (станции 1 и 2) - 20,9 и 23,4 мкл/л. Если отбро­ сить последние (крайние) значения, то содержания метана в верх­ нем слое рапы водоёма в среднем в летний период составляло 10,7 мкл/л.

Концентрация метана в поверхностном слое лечебной сульфат­ ной грязи в июне 2003г на станциях 8, 8', 104 изменялась от 0,30 до 0,47 мкг/г в.в. (в среднем 0,39 мкг/г в.в.). В прибрежной зоне наибо­ лее высокими содержаниями газа характеризовались пробы, ото­ бранные на станции 1 и 2, что было характерно и для исследований, проводившихся в предыдущие периоды. Однако летом 2003г кон­ центрация метана здесь была существенно выше (1,47-8,17 мкг/г в.в.), чем во время осенне-зимних экспедиций 2000 и 2001 гг. Несо­ мненно, что наблюдаемое увеличение концентрации метана связа­ но с увеличившейся температурой воды озера и, как следствие, возрастанием скорости его образования в донных осадках. Мини­ мальными величинами содержания метана, как и в предыдущие пе­ риоды, характеризовались донные отложения, отобранные на станциях 5 и 6 (от 0,11 до 0,20 мкг/г в.в.). Это может быть свиде­ тельством влияния поступления суглинисто-глинистого материала, образующегося в результате абразии юго-западного берега.

Следует отметить, что во все периоды, как правило, концентра­ ция метана возрастала от поверхностных горизонтов осадков к ниж­ ним, максимальной величины достигая в одних случаях в 5-10 см слое отложений, в других - в 10-15 см слое. Такое распределение метана соответствовало распределению клеток метанобразующих бактерий по глубине осадков. Их численность варьировала в преде­ лах 2580-7000 кл/г вл. ила - в прибрежной полосе озера, и от 6550 до 7430 кл/г вл. ила - в лечебной грязи, отобранной в центре озера на участке грязедобычи. В летнее время отмечалось некоторое уве­ личение численности бактерий-метаногенов по сравнению с осеннезимним периодом. В целом же во все сезоны по акватории озера между распределением метана и численностью бактерий метаногенов в отложениях наблюдается достаточно тесная корреляционная связь (г = 0,76).

Количество сульфатредуцирующих бактерий изменялось в пре­ делах от 350 до 6450 кл/г вл. ила. Для летнего времени характерны более высокие значения, чем для других периодов. Наблюдается чёткое снижение численности сульфатредукторов от поверхностно­ го горизонта к нижнему, что наряду с уменьшением сульфидов, сви­ детельствует в пользу постепенного затухания процесса редукции сульфатов в том же направлении. В лечебной грязи количество сульфатредуцирующих бактерий в целом было выше, чем в отло­ жениях прибрежной зоны.

Следует отметить, что концентрация метана в воде и верхних изученных горизонтах донных осадках озера Тамбукан в целом не выходит за пределы изменения содержания метана в других озёрах, в том числе и пресных (см. табл.24). Повышенная минерализация воды этого озера, большое содержание сульфидных ионов и актив­ ные процессы редукции сульфатов, по-видимому, не препятствуют метанообразованию, о чём свидетельствует достаточно высокая численность в верхних слоях осадков клеток метанобразующих бак­ терий и концентрация в отложениях метана.

6.2. Водохранилища

Водохранилищами принято считать искусственно созданные котловинные и естественные озерные водоемы с замедленным во­ дообменом, полным объемом более 1 млн. м3, уровенный режим ко­ торых постоянно регулируется (контролируется) гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и социальных по­ требностей [2].

Водохранилища - антропогенные, управляемые человеком объекты, но они испытывают также и сильнейшее воздействие при­ родных (прежде всего гидрометеорологических) факторов, поэтому как объекты изучения, использования и управления занимают про­ межуточное положение между “чисто природными" и “чисто техни­ ческими” образованиями. У водохранилищ нет природных аналогов (лишь по форме чаши с ними сходны завально-запрудные озера), поскольку процессы трансформации вещества и энергии в них име­ ют иные, чем в озерах и реках масштабы, направленность, интен­ сивность и длительность, что выражается в показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных экосистем. В целом во­ дохранилища можно, рассматривать как своеобразные огромные преобразователи и аккумуляторы вещества и энергии, но только не автономные, как, например, озера. Рекам же, в отличие от водоемов с замедленным водообменом, наоборот, свойственен поточный ме­ ханизм преобразования вещества и энергии [2].

В табл.34 приведены содержания метана в различных водохра­ нилищах бывшего СССР. По имеющимся данным (табл. 34) концен­ трация метана в воде и донных осадках соответственно изменяется в пределах от л-10‘1до л-102 мкл/л и от п-10'3 до л-10 мкг/г.

(Казахстан)

* в скобках - среднее значение

Рис. 40. Карта-схема водохранилищ Волги и Дона. Водохранилища: 1- Иваньковское; 2- Угличское; 3- Рыбинское; 4- Горьковское;

5- Чебоксарское; 6- Куйбышевское; 7- Саратовское; 8- Волгоградское; 9- Цимлянское.

дохранилищ Волги. Такие детальные исследования были проведе­ ны авторами в 1987-1988 гг. и позднее.

Верхняя Волга. Авторами наиболее подробно на Верхней Волге особенности распределения и образования метана были изучены в Рыбинском водохранилище.

Рыбинское водохранилище - один из обширнейших искусствен­ ных водоёмов. Среди водохранилищ, созданных путём затопления речных долин (не считая зарегулированных озер), оно входит в пер­ вую десятку в мире по площади водного зеркала. По наибольшей глубине в период заполнения (30 м) его можно отнести к водохрани­ лищам, занимающим промежуточное положение между глубокими и

неглубокими, т.е. классифицировать как водохранилище средней глубины.

По распределению глубин и морфологическим особенностям ложа в водохранилище выделяются (по [215]) четыре основных района (плеса): Волжский, Моложский, Шекснинский и Главный или Центральный (рис. 41 ).

Рис. 41. Схема расположения станций отбора проб на метан в Рыбинском водохранилище (май 1987 г.)

I- Волжский район; IIМоложский район; IIIШекснинский район; IVГлавный плёс: IV-1- западная часть плёса, IV-2- центральная часть, IV-3- северная часть, IV-4- приплотинный участок Главного плёса

Пробы воды (поверхностный и придонный горизонт) и донных отложений (верхний слой - 0-5 см) для определения метана в Ры­ бинском водохранилище были отобраны в период с 15 по 22 мая 1987 г. в районе 3-х плесов: Волжского, Центрального и Шекснинско-

го [264]. Кроме этого, было определено содержание метана в прито­ ках, впадающих в Шекснинский плес Рыбинского водохранилища. Одновременно с отбором проб на метан определяли значения pH и температуру поверхностного слоя воды (табл.35). Величина pH в период исследований изменялась в небольших пределах (7,4-7,7). Диапазон колебания значений температуры в водохранилище в це­ лом был значительным и составлял 2,0-16,5°С. Наиболее высокая температура воды отмечается в Шекснинском плесе, где её значе­ ния варьировали в пределах 9,0-16,5°С, в среднем 13,3°С, при этом максимум выявлен в северной части этого плеса - в районе впаде­ ния р. Кошта (ст.11). По направлению к Центральному плесу темпе­ ратура воды существенно снижается, здесь её значения варьируют в пределах от 2,0 до 5,6°С, в среднем 3,5°С. В Волжском плесе тем­ пература вновь увеличивается и составляет 10,2 - 11,3°С.

Таблица 35 Содержание метана в воде и донных отложениях Рыбинского водохра-

___ _______ нипища и его притоков (15-22 мая 1987 г.) (по [264])___________

’ • в скобках - среднее значение

Таким образом, для воды Главного плеса водохранилища в пе­ риод исследований была характерна невысокая температура, по сравнению с температурой воды Шекснинского и Волжского рай­ онов, что связано с притоком в последние более прогретых речных вод. В то же время более высокая температура воды Шекснинского по сравнению с Волжским обусловлена, в основном, сбросом в реки, впадающие в Шекснинский плес, а именно в рр. Кошта, Серовка и Ягорба; вод тепловой электростанции, а также неохлажденных сточных вод предприятий г. Череповец [264]. Так, в реках Кошта, Ягорба и притоке последней р. Серовка температура воды соответ­ ственно составляла 17,4; 18,6; и 31,8° В р. Шексна температура во­ ды до впадения в неё р. Ягорба составляла 10°С, после впадения - 13,6°С. Повышенная температура воды в притоках, впадающих в Шекснинский плес, и непосредственно в самом Шекснинском плёсе создает более благоприятные условия для метаногенеэа (и, в об­ щем, для трансформации органического вещества), чем в других районах водохранилища.

Содержание метана в воде Рыбинского водохранилища варьи­ рует в пределах от 2,7 до 46,2 мкл/л, в среднем 16,5 мкл/л (табл.35). Его концентрация в поверхностном горизонте изменяется в диапа­ зоне 2,7 - 46,2 мкл/л (ср. сод. 14,4 мкл/л), в придонном - колеблется от 3,2 до 32,9 мкл/л (ср. сод. 18,6 мкл/л). В подавляющем большин­ стве точек отбора проб содержание метана в придонном горизонте выше, чем в поверхностном (в среднем в 1,5 раза). Исключение со­ ставляет ст.12 (район о. Лукавец), где его количество в придонном слое было ниже, чем в поверхностном (соответственно 32,9 и 46,2 мкл/л). Превышение содержания метана в поверхностном слое во­ ды над его концентрацией в придонном также отмечается и в неко­ торых притоках Шекснинского плеса. Причины превышения будут рассмотрены ниже. Необходимо отметить, что в целом между со­ держаниями метана в поверхностном и придонном горизонтах на­

блюдается четкая прямо­ линейная зависимость. Это характерно как для водохранилища, так и для его притоков (рис.42).

Концентрация метана в воде Волжского плеса в поверхностном горизонте воды составляла 8,1-12,9 мкл/л, в придонном - 9,5- 22,9 мкл/л. В Централь­ ном плесе по сравнению с