книги / Метан в водных экосистемах

выделялось в атмосферу - 8 % от новообразованного. Исследова­ ния оз. Долгое (Московская область) показали, что на водную толщу приходилось 26,4 % всего окисленного метана, основное количество окислялось в донных отложениях [1]. В осадках залива Грин озера Мичиган окисляется 11,9-72 % новообразованного метана [184]. В осадках метанового сипа в Охотском море доля окисленного метана от новообразованного составляла 24-52 %, в донных осадках Чёрно­ го моря - 10-91 %, в Беринговом море - 2- 29 %.

Как отмечает В.Ф. Гальченко [52], обычно в морских донных от­ ложениях (Охотское, Каспийское, Норвежское моря, разные районы Тихого и Атлантического океанов) интенсивности образования и окисления метана наивысшие в верхних горизонтах осадков шель­ фов и склонов. Однако в Беринговом море, как образование, так и окисление активнее в осадках глубоководной абиссальной зоны, причём доля окисленного метана от новообразованного здесь наи­ меньшая. Полученные суммарные значения окисления и образова­ ния метана указывают на их тесное экологическое сопряжение. Со­ гласно измерениям в водную толщу может поступать до 98% ново­ образованного метана. Однако, несмотря на обычно более низкую интенсивность его окисления в воде по сравнению с осадками, за счёт огромной мощности водной толщи метанотрофы потребляют значительное количество метана, и его поступление в атмосферу из морских экосистем вследствие этого существенно снижается.

В процессе микробного метаноокисления большая часть мета­ на окисляется до С02, а меньшая часть углерода метана включает­ ся в состав клеточной биомассы и внеклеточные органические экзо­ метаболиты [183,184,201,214,230]. То есть, для метаноокисляющих бактерий метан является не только источником энергии, но и источ­ ником углерода для построения клеточного вещества. Из работы [201] следует, что при окислении СН4 до 85 % (в среднем около 40%) углерода метана накапливается в микробной биомассе или включается в состав органических веществ - экзометаболитов.

Количественная оценка продуктов окисления метана показала, что в водной толще Карского моря и р. Енисей, большая часть угле­ рода переходит в экзометаболиты, тогда как в донных осадках - в С02 и экзометаболиты [183]. В заливе Грин озера Мичиган [184] в целом до С02 окисляется 50,6-73,8 % метана. В озере Грин острова Рауль (острова Кермадек, Тихий океан), при окислении метана 1986% углерода метана переходит в С02 [230]. Исследования А.Ю. Леин и соавторов [147] на холодном сипе в Норвежском море вы­ явили, что 83 % метана окисляется до углекислоты, которая затем расходуется на формирование карбонатных иллит - барит - кальцитовых построек, корок и стяжений. В окисленных осадках глубоко­

водной зоны Атлантического океана при микробном окислении ме­ тана в органическом веществе выявлялось 20-40 % углерода по­ треблённого метана [214]. В донных осадках и в анаэробной водной толще Чёрного моря на образование органических экзометаболитов расходуется только 10-40 % углерода метана, в то время как в Кар­ ском море достигает 60-85 %.

Окисление метана в анаэробных условиях. Долгое время считалось, что метан инертен в анаэробных условиях и может асси­ милироваться лишь аэробными микроорганизмами. На сегодняшний день в целой серии работ установлено, что наряду с хорошо из­ вестным ферментативным аэробным окислением метана метанотрофами с участием фермента метанмонооксигеназы, метан может также окисляться и в анаэробных условиях [52,55,147,304,343,346, 347,354,365,380,414,415 и др.]. Эксперименты с радиоактивными и стабильными изотопами однозначно доказали существование тако­ го процесса, но химическая природа окислителя, механизм, после­ довательность реакций превращения метана и соответствующая группа микроорганизмов не известны до сих пор. Хотя предполага­ ется участие в этом процессе сульфатредукторов [347] и метаногенов [415].

Чистые культуры анаэробных метанотрофов не выделены, но известно, что при определенных условиях метаногены могут осуще­ ствлять реакцию, обратную образованию метана. Так, ещё около 20 лет назад, было показано [415], что некоторые метанобраэующие бактерии - Methanobacterium М.О.Н., М. ruminantium, М. formicicum, М. thermoautotrophicum, Methanobrevibacter arboriphilus, Methanosarcina barceri, Methanospirillum hungatei, Methanothrix Soehngenii - одновременно и образуют и, при избытке метана в культуральной среде, могут часть метана анаэробно окислять до С 02 в реакции, обратной образованию метана: СН4 + 2НгО -> С02 + 4Н2+, причём количество окисленного метана зависит от штамма и варьирует от 0,3 до 0,001 % от количества образованного метана. Помимо пре­ вращения меченного 14СН4 в углекислоту, небольшая часть ассими­ лируется клетками метанобразующих бактерий.

Среди продуктов окисления метана у М. barceri встречались ме­ танол и ацетат, а у Methanothrix Soehngenii усвоение метана шло через его карбоксилирование с образованием уксусной кислоты. Несмотря на сходство продуктов окисления метана с субстратами, используемыми для метаногенеза этими бактериями, авторы [415] полагают, что путь окисления метана не является простым обраще­ нием пути образования метана.

В большей части работ анаэробное окисление метана связыва­ ется с процессом восстановления сульфатов [319,346,362,374,380 и

др.]. Дэвис и Ярборо [319] первыми обнаружили организм, осущест­ вляющий анаэробное окисление метана. Эти авторы показали, что сульфатвосстанавливающая бактерия Desulfovibrio sp. способна окислять меченый метан. Высказывается предположение (Devol, Ahmed, 1981) об окислении метана кислородом сульфатов по урав­ нению:

Хотя анаэробное окисление метана за счёт сульфатов термо­ динамически возможно (Feely, Kulp, 1957), однако энергии освобож­ даемой в результате этого процесса явно недостаточно для образо­ вания АТФ, необходимого для роста микроорганизмов [406].

Полагают также, что нитрат в отсутствие кислорода может иг­ рать роль окислителя метана. Энергия, освобождаемая при этом процессе (701,1 кДж/моль СН4), почти равна'выходу энергии при окислении метана кислородом (778,9 кДж/моль СН4). Этой энергии достаточно для образования 32 молекул АТФ. Дэвис (Davies, 1973) показал, что выделенные им накопительные и чистые бактериаль­ ные культуры способны окислять метан в анаэробных условиях за счёт нитратов с образованием свободного азота. Однако, другие ис­ следователи [374] не подтвердили эту возможность. Таким образом, до сих пор большинство исследователей связывают процесс ана­ эробного метаноокисления (прямо или косвенно) с процессом сульфатредукции, хотя энергетически этот процесс менее вероятен, чем за счёт нитратредукции.

Высказывается мнение [147, 343], что в процессе анаэробного окисления метана участвует микробный консорциум, состоящий из метаногенов и сульфатредукторов. Метаногены окисляют метан с образованием Н2, который является субстратом для развития суль­ фатредукторов по реакции:

HS04‘ + 4Н2 -> HS* + 4Н20 (19)

Геохимическая деятельность такого бактериального консорциума, состоящего из С02 - редукторов (метаногенов) и сульфатредукто­ ров приводит к окислению метана, образованию de nova Сорг в виде биомассы бактерий и их экзометаболитов (в среднем 17 %), С02(83 %), а также сероводорода и его производных.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В ВОДЕ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ

Метан относится к трудно определяемым компонентам гидро­ сферы в силу своей летучести, инертности к окислителям; он не по­ глощается основаниями и слабыми кислотами. Некоторую труд­ ность при определении количества метана представляет и очень широкий диапазон колебания его концентраций в воде и донных осадках водных объектов, соответственно от п-10'3 до п-103 мкл/л и от п-10'6 до п-102 мкг/г влажного осадка. Даже в одном водном объ­ екте предел изменения его содержания может составлять несколько порядков.

Основными проблемами при определении метана являются:

• сведение к минимуму потерь при отборе проб и подготовке к анализу;

-предотвращение развития бактериальных процессов и сопут­ ствующего образования биогенного метана при хранении проб;

-выделение метана из воды и донных отложений;

• определение широкого диапазона содержания метана в воде и донных осадках водных объектов;

- обеспечение серийного анализа проб.

Общая схема пробоподготовки и анализа метана в водах и дон­ ных отложениях представляется следующим образом (рис.4).

Отбор проб. В анализе вод на содержание метана наиболее достоверными являются данные, полученные при исследовании по­ верхностного слоя вод. При отборе же проб с глубин возникает воз­ можность потери метана. Чем значительнее глубины, тем реальнее возможность потери. Это связано с тем, что метан, являющийся продуктом процессов, происходящих в донных отложениях, в глу­ бинных слоях может находиться в концентрациях, значительно пре­ вышающих равновесную с атмосферной. При подъеме батометра с очень больших глубин резко понижается давление в пробе, что при­ водит к потере метана, достигающей в некоторых случаях двух по­ рядков [67]. Поэтому на больших глубинах для достоверности ре­ зультатов необходимо использовать специальные герметичные пробоотборники.

На малых глубинах перепад давления при подъеме придонных проб воды невелик, поэтому допустимо использование негерметич­ ных батометров разнообразных конструкций, среди которых наи­ большее распространение получили батометры прямоточного типа БМ-448 и ЧЕНИС. За рубежом популярность получили марки бато-

Хранение проб

Извлечение газовой фазы

1.Вакуумная дегазация (однократно-вакуумная, многократно ртутно-вакуумная, термовакуумная)

2.Комбинированный способ механической н ртутно-вакуумной дегазации

3.Шприцевав дегазация

4.Динамическая десорбция (stripping-метод)

5.Фазовое равновесие

Применяются следующие методы анализа:

1.Радиоизотопный метод.

2.Метод кулонометрического титрования с помощью твердоэлектролитной ячейки (ТЭЯ).

3.Газохроматографнческие методы: прямой анализ после дегазации пробы, strippmg-апализ, парофазный анализ.

Рис. 4. Общая схема пробоподготовки и анализа метана в воде и донных отложениях.

метров Нискена, Нансена, Ван Дорна [33,59,225,231,332,408]. Вполне понятно, что даже на малых глубинах при отборе проб воды негерметичными батометрами некоторые потери метана неизбеж­ ны.

Еще большие проблемы возникают при отборе проб донных от­ ложений. При контакте с атмосферным воздухом вследствие изме­ нения гидростатического давления возможно образование газовых

бы, не нарушая слоистость осадков [61], что также важно для дос­ товерности результатов, так как в различных слоях отложений от­ мечается неоднородность содержания метана.

Хранение и консервация проб. При хранении проб воды, а осо­ бенно донных отложений, в результате биохимических реакций воз­ можно существенное изменение содержания водорастворимых га­ зов; в первую очередь это относится к метану.

Анализируя источники возможных ошибок при изучении качест­ венного и количественного состава водорастворимых газов, амери­ канские исследователи на первое место ставят длительное хране­ ние проб, предшествующее их анализу [332].

Для предотвращения развития бактериальных процессов и со­ путствующего им биогенного образования газов в анализируемую пробу вводят консерванты. Наиболее распространенным среди них является хлористая ртуть [83,217]. Однако отмечено, что при дли­ тельном хранении проб (месяцы, годы) добавка этого реагента ве­ дет к исчезновению непредельных углеводородов. Для подавления микробиологической активности в радиоизотопном анализе приме­ няют формалин [19], в газохроматографическом КОН [114], серную кислоту [237], мертиолят [74]. Использование NaCI в качестве кон­ серванта показало отрицательные результаты. Так, по данным Чертковой [290], в образце грунта, хранящемся в герметичном сосу­ де в присутствии насыщенного солевого раствора, по прошествии 77 суток содержание метана повысилось по сравнению с исходным на два порядка.

Известен опыт хранения углеводородных газов в предваритель­ но вакуумированных стерильных ампулах после перевода в них пробы из дегазационной установки. Хроматографический анализ га­ за, хранившегося в ампулах в течение года при комнатной темпера­ туре, показал изменение концентрации (уменьшение) на 20 % [66, 58].

Извлечение метана. Выделение метана из воды и донных от­ ложений осуществляют различными методами дегазации. Степень извлечения метана зависит от применяемой методики дегазации, что серьезно влияет на информативность получаемых данных, т.к. сравнительные результаты по полноте извлечения СН4 различными методами отсутствуют.

В океанологии наиболее часто используются методы вакуумной дегазации; однократно вакуумная, термовакуумная, многократно ртутно-вакуумная [66]. Однократная вакуумная дегазация не обес­ печивает высокую степень вакуума и используется в основном для определения качественного состава газов.

Наиболее эффективным способом дегазации считается [66] комбинирование вакуумной и механической дегазации. При этом способе проба грунта взбалтывается в герметичном стакане до по­ лучения однородной смеси и переводится в приемник ртутно­ вакуумной установки, где, благодаря высокой степени разрежения, повышается и степень извлечения метана из пробы.

При термовакуумной дегазации пробы донных отложений на­ греваются до 40-60°С и более. Есть мнение, что при нагревании до вышеуказанных температур возникают условия, способствующие новообразованию отдельных газов (в частности, метана), поэтому в океанологии рекомендуется дегазирование без нагревания. В рабо­ те М.В. Мартыновой и др. [157] было оценено влияние температуры на объем извлекаемых газов из илов озера Глубокого. Сравнение соотношения объема метана, извлекаемого из илов при температу­ рах 17 и 60°С, к растворимости этого газа при тех же температурах, позволило заключить, что увеличение концентрации метана при го­ рячей дегазации обусловлено на 95 % уменьшением его раствори­ мости. По мнению авторов, при извлечении газов из илов предпоч­ тительна дегазация проб с подогревом до 60°С.

Известен также шприцевой способ извлечения углеводородных газов [50,345]. Он может быть применен только при использовании герметичных керноотборников. В процессе расширения газ образо­ вывает в керне пустоты, которые видны сквозь прозрачную пласт­ массовую стенку керноотборника. Стенку протыкают иглой, снаб­ жённой вентилем, и перепускают газ в предварительно откачанную пробирку с пробкой [50].

В настоящее время большую популярность получили два мето­ да извлечения газов - динамическая газовая экстракция (strippingmethod) и статистическая газовая экстракция (фазовое равновесие).

Динамическая газовая экстракция. Если через пробу воды про­ пускать поток чистого инертного газа, то содержащиеся в воде лету­ чие вещества будут этим потоком постепенно вытесняться (извле­ каться) [236]. Концентрация летучих веществ при этом убывает по

где С ° - исходная концентрация летучих веществ; CL - концентра­ ция после пропускания газа объёмом VG; VGv\VL- объемы жидкой и газовой фазы в сосуде с пробой; К - коэффициент распределения летучих соединений между фазами.

Как видно из этого соотношения, степень извлечения летучих веществ определяется коэффициентом распределения и объемом пропущенного через пробу воды газа. Этот способ дегазации мета­

на используется как в радиоизотопном [19], так и в газохроматогра­ фическом методах [109,330,381], описанных ниже.

Статистическая газовая экстракция. В основе метода стати­ стической газовой экстракции лежит закон Генри - прямая пропор­ циональность между концентрациями летучего соединения в нахо­ дящихся в равновесии жидкой и газовых фазах. Один из вариантов формулы, описывающей закономерности статистической газовой экстракции [44] такой:

CL° =CG(K + VG/VL) (21),

где С(° - исходная концентрация летучих соединений в воде; CGконцентрация в равновесном паре; VQ и VL - объемы жидкой и газо­ вой фазы в сосуде с пробой; К - коэффициент распределения лету­ чих соединений между фазами.

Основными параметрами, определяющими концентрацию лету­ чих соединений в равновесном паре при статической газовой экс­ тракции, являются коэффициент распределения и соотношение объемов фаз. Часто прибегают к искусственному уменьшению ве­ личины К за счет добавления к пробе воды солей и повышения тем­ пературы, при которой устанавливается равновесие [22,41,44,114, 217,279,398].

Для определения метана в основном используются радиоизо­ топный и газохроматографический методы. Известен также метод кулонометрического титрования, разработанный для определения растворенных в морской воде метана и водорода с помощью твер­ доэлектролитной ячейки из циркониевой керамики [250].

Радиоизотопный метод применяют в основном в микробиологи­ ческих исследованиях для определения интенсивности метаногенеза и скорости окисления метана [19,36,74,173,180]. Методика осно­ вана на введении в пробу меченого по углероду (С14) метана, по­ следующем извлечении метана аргоном и определении содержания метана в специальном сцинтилляционном счетчике. Этот метод об­ ладает высокой чувствительностью, но, в отличие от газохромато­ графического, сопряжен с некоторым нарушением исходного со­ стояния исследуемых проб воды или донных отложений, поскольку в них вводится некоторое количество 14С-метана. Он также неудо­ бен в использовании для серийного анализа.

Наибольшее распространение для определения метана в воде и донных отложениях получили гаэохроматографические методы. Высокая чувствительность, возможность наряду с метаном опреде­ лять сопутствующие ингредиенты, простота анализа, экспрессив­ ность, возможность при наличии переносного хроматографа опре­

делять метан непосредственно на водном объекте делают этот ме­ тод предпочтительнее других.

Детекторы в газовой хроматографии, применяемые для оп­ ределения метана. Для определения метана применяют в основ­ ном два типа детекторов: пламенно-ионизационный (ДИП) [62,85, 90;135,146,174,221,239] и детектор по теплопроводности -катаро- метр [23,36,50]. Для определения содержания метана в газохрома­ тографических методах в основном используют ДИП. Это связано с тем, что катарометры по сравнению с пламенно-ионизационными детекторами имеют более низкую чувствительность. Но в анализе газов катарометр имеет преимущество в том, что из одной пробы наряду с метаном могут быть определены и другие газы: Ы2, СО, С02, H2S.

Хроматографические насадки. Применяемые в газовой хрома­ тографии насадки для определения метана представлены в табли­ це 16. Наибольшее распространение в последние годы получили порапаки (Q, QS, N). Преимущество их состоит в том, что они хоро­ шо разделяют низкомолекулярные летучие вещества; в то же время другие, менее летучие вещества, которые могут оказаться в реаль­ ной пробе воды или донных отложений, имеют большее время удерживания и выходят на хроматограмме значительно позже, что удлиняет анализ.