книги / Метан в водных экосистемах

с соавторами [88] изучить распределение концентрации метана в тропосфере.

Авторами работы были сделаны выводы, большую часть из ко­ торых мы приводим ниже.

1.Наблюдаемые сильные вариации величин содержания мета­ на во времени (от полета к полету) над одними и теми же районами могут быть связаны как с сезонными изменениями концентрации СН4, так и с влиянием метеоусловий.

2.Частота появления аномалий концентрации метана над раз­ личными пунктами наблюдения существенно отличается. Одни аномалии проявляют устойчивость, другие не повторяются во вре­ мени.

3.Большая часть аномальных концентраций метана была про­ странственно приурочена к разрабатываемым нефтяным и газовым месторождениям, в то время как для других аномальных явлений такая связь отмечена не была.

4.Обнаружена тенденция к возрастанию концентрации метана с севера на юг в интервале широт (38-67°N) по трассе полета Воркута

-Волгоград - Ашхабад, которая не связана с упомянутыми выше аномалиями и может рассматриваться как подтверждение гипотезы

опреимущественном влиянии источников биогенного метана. Изучение вертикального распределения концентрации метана

(на высотах от 100 до 5000 м над уровнем поверхности на участках протяженностью не более 100 км) позволило авторам [88] отметить, что: при низких температурах (зимние профили) убывание концен­ трации метана с высотой характерно для ситуации равноперемешанной атмосферы; при больших положительных температурах (летние профили) снижение концентрации метана с высотой проис­ ходит более резко; в основном характер профилей этого газа кор­ респондирует с мнением о наличии источника метана на земной по­ верхности и существованием сезонных вариаций его стока в тропо­ сфере.

Глобальные, региональные и локальные оценки скорости эмиссии метана и его потоков. Эххалт [321], Шеппард с соавтора­ ми [393], а также А.О.Кокории, А.Х.Остромогильский [124] и И.М.Назаров и др. [172] провели наиболее детальные расчеты ве­ личин глобальных и региональных скоростей эмиссии метана, учи­ тывающие вклад в процесс производства метана практически всех экосистем Земного шара.

Опираясь на данные экспериментальных работ Коямы [355], Конгера (1943), Катиссона (1948) (см. [172]), Эххалт [321] рассчитал потоки метана для рисовых полей, болот и топей, пресноводных

озер, полей и лесов, тундр, морей и океанов, жвачных животных и насекомых (табл. 3).

Таблица 3 Гповальные оценки потоков метана для некоторых экосистем (по [321])

Таким образом, по данным [321] величина глобальной оценки потоков метана к началу 70-х годов варьировала в пределах 529829 Тг/год.

Шеппард с соавторами [393] в своих оценках скоростей эмиссии и потоков метана использовали два подхода - экспериментальный и расчетный. При расчетах количества метана, выделяемого каждой из 18 экосистем (табл. 4), во внимание принималась среднегодовая скорость эмиссии и коэффициент R. В качестве меры продукции ме­ тана была выбрана чистая первичная продукция (ЧПП) органическо­ го вещества данной экосистемы. Полагая, что скорости эмиссии ме­ тана во влажных тропических лесах примерно одинаковы в течение года, авторы работы нормализовали относительно них все вклю­ ченные в инвентаризацию экосистемы:

R = ЧПП (экосистема)/ЧПП (вл.тропич.лес)

В отечественной литературе более подробное описание этого подхода можно найти в работе [117]. С учетом потока метана, обра­ зующегося в желудках жвачных животных (90 Тг/год), глобальный поток метана в атмосферу составил 1000 Тг/год. Если добавить по­ ток метана из антропогенных источников (по [392] - 210 Тг/год), то глобальный поток в атмосферу составит 1210 Тг метана в год.

Отметим, что в приведенной выше таблице отсутствуют сведе­ ния о других природных и антропогенных источниках, таких, как гид­ ротермальная деятельность, вулканические извержения, разруше­ ние залежей газогидратов, газовыделения термитников, разведка и добыча горючих полезных ископаемых (газа, нефти, угля) и их пере­ работка, свалки хозбытовых отходов, сжигание топлива, лесные по­ жары.

Глобальная эмиссия метана различными экосистемами (по [393])

В 1988 г. вышла в свет работа А.О.Кокорина и А.Х. Остромогильского [124], целью которой была оценка возможных изменений глобального баланса метана, прежде всего роста его содержания в атмосфере. В табл. 5 данные по глобальным потокам метана разби­ ты поширотно.

Полученные в данной работе значения потоков метана от есте­ ственных и антропогенных источников в сумме (256,5+261,0) дают величину глобального потока в 517,5 млн.т/год. В табл. 6 приведены оценки глобальных потоков метана, выполненные различными уче­ ными.

Естественные (1) и антропогенные на 1985 г. (2) потоки метана, поступающие в атмосферу (млн. т/год) (по [124])

Как видно из табл.6, несмотря на различия в методических под­ ходах к расчетам глобальных потоков метана, наблюдается доста­ точно хорошая сходимость полученных результатов.

Таким образом, можно сделать заключение о том, что оценка глобальных потоков метана варьируется в пределах 409-1210 млн. т/год, т.е. разнится почти в 3 раза. Расчёты [321] дали более узкий интервал величин глобальных потоков.

Моделирование процесса формирования современных концен­ траций метана в атмосфере сопровождалось имитацией увеличения источников, начиная с 1600 по 1800 гг. За концентрацию метана в

атмосфере 1600-1800 гг. были приняты его содержания в леднико­ вых пробах, представленные в табл. 7. Эти сведения были заимст-

Таблица 7

Темпы роста поступлений метана (% а год) и времени жизни метана в атмосфере (число лет) для четырёх блоков (по [124])

вованы из работы [375]. Динамика метана в атмосфере рассчитыва­ лась с помощью простой 4-блочной модели (блоки 1-4: выше 30° с.ш., 30-0° с.ш., 0-30° ю.ш. и 30-90° ю.ш. соответственно).

Отметим, что впервые в расчетах была предпринята попытка учесть не только процессы, способствующие накоплению метана в атмосфере, но и приводящие к его разрушению: широтный ход со­ держания ОН* и рост концентрации СО, приводящий также к умень­ шению концентрации ОН*. Рост концентрации атмосферного метана тесно связан с увеличением мощности источников его поступления в атмосферу.

При проведении прогностических оценок использовалось 6 сце­ нариев изменения мощности источников. Во всех сценариях пред­ полагалось, что время жизни СН4 после 1985 г. и далее в среднем на 20 % больше, чем в 1975-1985 гг. - 20 и 6 лет в тропических и полярных блоках соответственно. Это отражает возможное сниже­ ние содержания ОН*, более точная оценка требует совместного рас­ смотрения динамики СН4, СО и ряда других веществ.

Сценарий 1 (максимальный) - быстрый рост всех антропоген­ ных источников (см. табл.7) со скоростью 3 % в северном и 1,5 % в южном полушарии.

В сценариях 2-6 выделялись климатическая и неклиматическая компоненты источников и задавались различные темпы их роста. К климатическим источникам (общая мощность на 1985 г. - более 150 млн. т/год, по блокам с севера на юг - 100, 32, 20 и 4 млн. т/год) бы­ ли отнесены поступления с заболоченных земель и тундры (в бло­ ках 3 и 4 частично) и часть поступлений от животноводства в блоке

1. К растущим неклиматическим источникам отнесены (всего около 100 млн. т/год, по блокам - 20, 50, 27 и 3 млн. т/год) большая часть поступлений с рисовых полей и от животноводства в тропических широтах и поступления от пожаров и частично от животноводства в блоке 1. Остальные источники полагались неизменными.

Сценарий 2 - максимальный рост неклиматических (3 % в год) и климатических (1 % в год) источников. Выделение климатических источников отражает обратную связь между ростом концентраций С02 и СН4 и потеплением климата [338, 339]. Рост среднегодовой температуры на 1°С приводит к увеличению мощности ряда источ­ ников (заболоченные земли, деструкция биомассы и органических отходов) на 6-12 % [333] и 20 % [307].

Сценарий 3 - умеренный и дифференцированный по блокам рост климатических источников (1 % в год в полярных и 0,5 % в год в тропических широтах). Рост неклиматических источников пропор­ ционален прогнозируемому росту численности населения - 1 % в блоке 1 и 1,5 % в остальных.

Сценарий 4 - постоянство неклиматических и такой же, как в сценарии 3, рост климатических источников.

Сценарий 5 (минимальный) - постоянство всех источников. Сценарий 6 представляет собой попытку ориентировочно оце­

нить последствия таяния метаносодержащих газогидратов на шельфе в северном полушарии при потеплении климата. Рост всех источников такой же, как по сценарию 3, за исключением того, что климатический источник в блоке 1 уменьшен до 50 млн.т/год, и ос­ тавшиеся 50 млн.т/год полагаются быстро растущими (на 5 % в год).

Третий вариант, предусматривающий небольшой рост всех ис­ точников, представляется наиболее вероятным. В соответствии с ним концентрация СН4 возрастает к 2000 г. на 0,5 млн'1или на 30 %, темпы ее роста несколько меньше 2 % в год. После 2000 г. темпы роста снижаются примерно до 1,5 %. Распределение по широтам остается неизменным, градиент в направлении север - юг - около 10 %.

Максимальные варианты .(2 и особенно 1) приводят к значи­ тельно большим концентрациям СН4 в 2015 г., хотя на 2000 г. они дают превышения только на 0,1 и 0,3 млн'1соответственно.

Вариант 4, предусматривающий только обусловленный потеп­ лением климата умеренный рост источников, дает к 2000 г. рост концентраций на 25 % (или примерно на 1,5 % в год). Этот вариант промежуточный между третьим и пятым, где предполагается посто­ янство всех источников.

По сценарию 5, концентрация метана к 2000 и 2015 гг. на 0,1 и 0,3 млн'1 меньше, чем по сценарию 3. К 2015 г. они выходят на на­ сыщение и далее практически неизменны.

Сценарий 6, предусматривающий очень быстрый рост неболь­ шой части источников в блоке 1 (таяние газогидратных месторожде­ ний на полярном шельфе), приводит к резкому росту концентраций. К 2015 г. этот сценарий «догоняет» максимальный. Однако действие такого источника в течение длительного времени маловероятно.

В табл.8, взятой из работы (115], которая вышла в конце 2003 г.

Таблица 8

Темпы изменения концентраций метана в атмосфере (по [115])

и была приурочена к открытию всемирной конференции по измене­ нию климата (г. Москва, Россия), видно, что прогнозные расчеты, выполненные по сценарию 5, превышают данные 1998 г., но все же являются по отношению к ним наиболее близкими.

БИОГЕОХИМИЯ СОВРЕМЕННОГО МЕТАНОГЕНЕЗА В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

3.1. Деструкция органического вещества при метаногенезе

Природа современного метанообразования в водных и назем­ ных экосистемах достаточно подробно освещена в работах [5,101, 107,133,136,227 и др). Эти работы послужили основой для написа­ ния данного раздела.

В результате деятельности микроорганизмов в приповерхност­ ных осадках образуются следующие газы: С02, Н2, H2S, СН4, NH3 и N2. Одним из главных компонентов свободных газов в осадках явля­ ется метан. Исследования иловых газов в различных климатических зонах показали, что в среднем содержание СН4 составляет 53%, N2 - 41%, С02- 3%, 0 2 - 2,7%, сумма тяжёлых углеводородов - 0,04%

[5].

Деструкция органического вещества при метаногенезе осущест­ вляется как многоступенчатый процесс, в котором оно постепенно разрушается под действием различных групп микроорганизмов, по некоторым оценкам до нескольких сотен видов, среди которых пре­ обладают бактерии. Количественный и качественный составы мик­ рофлоры сильно зависят от состава сбраживаемых органических веществ и условий, которые создаются в окружающей среде [119].

Исследования на чистых культурах метанобразующих бактерий показали, что образование метана происходит лишь тогда, когда в среде присутствуют соединения, усваиваемые метанобразующими бактериями: жирные кислоты, спирты, СО, С02 и Н2. Если в процес­ се такого преобразования органического вещества на каком-либо этапе образуется CQ2 и Н2, уксусная кислота и метанол, то образо­ вание метана будет идти непосредственно, минуя промежуточные стадии. Метанобразующие бактерии могут использовать С02 и Н2 немикробиологического происхождения.

Помимо основных групп бактерий, в метаногенной системе при­ сутствует большое количество микроорганизмов, которые, казалось бы, не принимают прямого участия в процессе деградации органи­ ческого вещества. Тем не менее, они играют важную роль, напри­ мер, в обеспечении других бактерий ростовыми факторами, удале­ нии токсических продуктов анаэробного метаболизма, а также в поддержании условий анаэробиоза. Последняя функция, например, приходится на долю факультативных анаэробов, использующих случайно попавший в среду кислород. Таким образом, важнейшей

особенностью метановых биоценозов является наличие множества симбиотических связей между микроорганизмами, когда продукты жизнедеятельности одних являются субстратами для других.

Основными последовательными стадиями разложения практи­ чески любого сложного органического вещества в анаэробных усло­ виях традиционно считаются гидролиз, кислотогенез, ацетогенез и метаногенез. Схематично они показаны на рис.З. Как правило, ли­ митирующей стадией разложения взвешенного вещества является гидролиз, а растворенного органического вещества - метаногенез. При устойчивом протекании анаэробного процесса существует ба­ ланс между скоростями гидролиза и метаногенеза [35]. Он может нарушиться в случае резкого изменения органической нагрузки на систему, токсическом воздействии, температурном скачке и прочее.

ВЗВЕШЕННОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Гидролиз

РАСТВОРЁННОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Рис. 3. Основные стадии анаэробного разложения органического вещества (ПО [35]).

1. Стадия гидролиза - расщепление сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.). Сущность гидро­ лиза органических веществ состоит, главным образом, в присоеди­ нении воды к их сложным исходным молекулам, в результате чего

крупные молекулы расщепляются на более простые. Гидролиз осу­ ществляется экзогенными ферментами, экскретируемыми в меж­ клеточную среду различными гидролитическими микроорганизмами. Действие этих ферментов приводит к продуцированию относитель­ но простых продуктов, которые эффективно утилизируются самими гидролитиками и другими группами бактерий на последующих ста­ диях метаногенеза. Большую роль в метаногенном сообществе иг­ рают микроорганизмы, гидролизующие полисахариды, присутст­ вующие в стоках различных отраслей пищевой и целлюлознобумажной промышленности.

В настоящее время описано более 20 видов анаэробных целлюлолитических бактерий, принадлежащих к родам Clostridium, Bacteroides, Butyrivibrio, Ruminococcus, Acetivibrio, Micromonasporas, Eubacterium. Выделены и описаны анаэробные гидролитические бактерии, разлагающие гемицеллюлозу, пентозаны, полисахариды клеточных стенок бактерий, крахмал, пектин. Биохимия брожения полисахаридов изучена достаточно хорошо на чистых культурах. Основными продуктами являются различные жирные и карбоновые кислоты, спирты, водород и углекислота.

Фаза гидролиза при метановом брожении тесно связана с фа­ зой ферментации (кислотогенной), причем гидролитические бакте­ рии осуществляют обе фазы, и их иногда объединяют с фермента­ тивными бактериями.

2. Кислотогенная стадия (ферментация) - стадия брожения образовавшихся мономеров до еще более простых веществ: низших кислот и спиртов: при этом образуются также углекислота и водо­ род. Группа ферментативных бактерий (бактерии-бродильщики, микрофлора рассеяния) представляет собой сложную смесь многих видов бактерий, большая часть которых является строгими анаэро­ бами. Наличие таких бактерий не исключает одновременного при­ сутствия значительного количества факультативных бактерий типа стрептококков и кишечных бактерий. Доминирующими организмами могут быть анаэробные мезофильные бактерии типа Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Lacrobacillum, Bifidobacterium и другие. Среднее время генерации для бактерий этой группы составляет не­ сколько часов.

Основной особенностью бродильщиков является способность использовать те же субстраты, что и гидролитики, то есть продукты гидролиза полимерных соединений й поступающие со стоком моно­ меры, но в более низких концентрациях. Этап, определяемый дея­ тельностью ферментативных бактерий, сопровождается резким уменьшением прежде всего содержания углеводов в среде, сниже­ нием величины pH среды, возрастанием общего содержания лету-