книги / Метан в водных экосистемах

УДК 556.02.637 ББК 28.072

Ф-33

Рецензенты:

доктор географических наук, профессор ПЖЛурье доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Н.Труфанов

Федоров ЮА., Тамбиева Н.С., ГарькушаД.Н., Хорошевская В.О. Метан в Ф-33 водных экосистемах.- Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2005 г., 329 с.

ISBN 5-7509-0302-8

Монография основана на обширных результатах исследований распределения уровней содержания метана и его потоков в воде и донных отложениях водотоков, пресных, солоноватых и соленых континентальных, эстуарных и морских экосистем. Впервые по единой методике и методологии на пространстве бывшего СССР и сопредельных стран, наряду с определением концентрации метана* проведено изучение гидрологических, гидрохимических, физико-химических, в том числе и изотопных, и микробиологических характеристик водных объектов. Исследована теснота связи концентрации метана с таковой загрязняющих веществ органической и неорганической природы. Приведены оригинальные данные об уровнях концентрации метана в организме человека и их связи с некоторыми заболеваниями. Важное место в работе уделено разработке методики исследования метана в качестве показателя трофии и загрязненности воды и донных отложений. В книге большое место занимает аналитический обзор современных исследований по проблеме метаногенеэа.

Монография представляет интерес для ученых, работающих в области гидрохимии, гидрологии, океанологии, геоэкологии и охраны окружающей среды. Она может служить в качестве учебного пособия в вузах.

The monograph is based on the numerous results of investigations of methane concentration levels and methane fluxes in water and bottom sediments of freshwater, brackish-water and salt-water ecosystems of continental water bodies, estuaries and seas. For the first time on the territory of ex-USSR and neighbouring countries the determining of methane concentrations is carried out together with study of hydrological, hydrochemical, physico-chemical (including isotope) and microbiological characteristics of water bodies using a unified methodology. The correlation levels of concentrations of methane and different organic and non-organic pollutants are studied. The original data on the methane concentration levels in the human organism and their correlationsTivith some diseases is presented. Much attention is given to the development of the methodology of study of methane as an indicator of trophic status and pollution of water and bottom sediments. An important part of the monograph is devoted to the analytical review of actual investigations on the problem of methane generation.

The monograph represents a particular interest for the researchers working in the fields of hydrochemistry, hydrology, oceanology, geo-ecology and environment protection. It may be used as an educational aid at the institutions of higher education.

Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского Фонда

Рфундаментальных исследований по проекту 05-05-78082

7.2.Определение потоков метана в Таганрогском за­ ливе, реках Дон и Темерник с помощью накопи­

Метан (СН4) - простейший представитель подгруппы предель­ ных (метановых) углеводородов. Он играет важную роль в биогеохимическом цикле углерода в гидросфере, атмосфере и верхнем слое литосферы Земли. Основная масса газа рассеяна в осадочных и изверженных породах, в илах болот, рек и озёр, морей и океанов.

По происхождению метан делят на две основные группы: био­ генный и абиогенный метан. В свою очередь, биогенный метан раз­ деляют на биогеохимический и термокаталитический (термогенный). Метан биогеохимического генезиса, которому в основном и посвя­ щается данная монография, образуется в болотах, донных отложе­ ниях океанов, водоемов и водотоков, почвах, шахтах и рудниках, сточных водах и их отстойниках, на свалках мусора. К этой же груп­ пе следует отнести метан, выделяемый жвачными животными и термитами. Термогенный метан образуется, согласно современной концепции, из органического вещества, метаморфизованного под влиянием повышенных температур и давлений в недрах Земли; абиогенный метан - в процессе восстановления первичного углеро­ да или его окисленных форм в условиях высоких температур в глу­ боких недрах Земли.

Огромный интерес учёных всего мира к происхождению и обра­ зованию метана - газа, являющегося углеводородным сырьём, - вы­ зван не только утилитарными соображениями, но и причинами, обу­ словленными необходимостью развития отдельных направлений фундаментальной науки, связанных с изучением функционирования водных экосистем, жизнедеятельности растительных и животных организмов, метеорологических пертурбаций и зарождения жизни на Земле.

Начиная с последней четверти XX века особенно актуальной стала проблема глобального потепления климата, которому, наряду с другими “парниковыми" газами (С02, N20, хлорфторуглеводороды), способствует и метан. Озабоченность проблемой глобального потепления и стремление успешно её решить направило океаноло­ гов, геохимиков, гидрохимиков, микробиологов и других учёных на всесторонние исследования и выявление характерных особенно­ стей и закономерностей происходящих в водных объектах процес­ сов, оказывающих влияние на величину эмиссии метана в системе "донные отложения - вода - атмосфера"

Настоящий бум научных исследований метана как газа, некон­ тролируемая эмиссия которого способна оказать влияние на проис­ ходящие в верхних слоях атмосферы физико-химические процессы и тем самым способствовать изменению теплового баланса нашей

планеты, приходится на период с 1970 по 1990 годы. В это время, главным образом, и выходит ряд фундаментальных работ, посвя­ щённых изучению природы современного метаногенеза в водных и наземных экосистемах; разрабатываются изотопные методы, в ос­ нове которых лежат закономерности функционирования стабильных изотопов углерода и водорода, имеющего место при образовании метана различного происхождения. В результате значительно рас­ ширились границы познания в этой области, стала ясна важнейшая роль метанобразующих бактерий при анаэробной деградации орга­ нических веществ в водных объектах.

Несмотря на определённый прогресс в деле изучения природы современного метаногенеза в водных объектах, по этой проблема­ тике имеется и большое количество белых пятен. В частности, в на­ стоящее время для многих водных объектов не дана количествен­ ная оценка содержания метана в донных отложениях и водной тол­ ще; остаются слабо изученными и до конца не понятыми особенно­ сти и закономерности распределения и образования метана в пре­ сных и эстуарных водоёмах; проведены единичные работы, посвя­ щённые наблюдению за сезонными изменениями концентраций ме­ тана в водных объектах; не до конца ясны взаимоотношения между метаногенами и другими микроорганизмами. Все эти вопросы ещё остаются нерешенными, что связано с относительно недавним на­ чалом количественного и качественного определения газов, в част­ ности метана, в водных объектах, а также с недостатком эффектив­ ных методов, которые позволяют получать точные результаты по данной проблематике.

Недавнее открытие "третьего царства” живых организмов г метанококков, которые способны жить просто в невероятных условиях, питаясь водородом, диоксидом углерода, азотом и тяжёлыми ме­ таллами ("Поиск, 1996, № 35”), вызвало во всём мире новый всплеск интереса к феномену, имя которому метан. Этот интерес постоянно подогревается и новыми сенсационными сведениями о роли метана как газа, инициирующего некоторые катаклизмы, в частности цуна­ ми, которые ранее всегда рассматривались исключительно как яв­ ления, вызванные природными процессами.

Группа океанологов из университета английского города Саут­ гемптон в статье в журнале "Nature" высказали предположение о том, что выносы рек и эстуариев, содержащие смесь всевозможных хозяйственно-бытовых и промышленных отходов, постепенно спол­ зают с континентального шельфа в глубоководные участки морей и океанов. Под этими массами, объём которых достигает нескольких миллиардов кубических метров, скапливается современный биохи­ мический метан. Когда в результате разгрузки оползня, нередко

инициируемой землетрясениями, происходит обрыв грязевой мас­ сы, то в месте разрыва высвобождается метан, причём в таких ко­ личествах, что, вырвавшись на поверхность, он способен вызывать цунами. По версии авторов, подобного рода катастрофы по крайней мере дважды наблюдались в нашем столетии - у побережья Нью­ фаундленда в 1929 г. и в районе Ниццы в 1979 г. Следует отметить, что возможность развития подобного сценария косвенно подтвер­ ждается наблюдениями, как это ни парадоксально, но сделанными не на морском дне, а на континенте. Так, в некоторых работах опи­ саны случаи выбросов современного метана из грунтов на террито­ рии Санкт-Петербурга. Причиной тому служит газообразование в условиях засыпанных рек, ручьёв, балок и полигонов твёрдых быто­ вых отходов.

Большую актуальность во второй половине XX века приобрел вопрос об использовании метана при прямых геохимических поис­ ках месторождений нефти и газа на шельфах морей и океанов. Хо­ тя, как было установлено Дж. Хантом, поверхностные геохимиче­ ские поиски не могут помочь оконтурить скопления нефти и газа на глубине (за исключением редких случаев), они могут успешно ис­ пользоваться в качестве вспомогательного метода, если имеются данные о геологическом строении глубоких горизонтов, приповерх­ ностных углеводородах и системах флюидных потоков в отложени­ ях. Они наиболее применимы там, где имеются интрузии, системы разломов или трещин или проницаемые пласты, представляющие собой пути вертикальной миграции.

Впоследнее время интерес к этому газу вызван подтверждени­ ем возможности использования показателя "метан” для оценки уровня загрязненности водоемов. Отметим, что, пожалуй, впервые о значимости исследования распределения метана как возможного индикатора антропогенного загрязнения было высказано в наших публикациях.

Для решения этих и других вопросов в Гидрохимическом инсти­ туте была разработана оригинальная методика подготовки проб во­ ды и донных отложений для определения в них метана методом га­ зовой хроматографии.

Вмонографии обобщены материалы комплексного изучения распределения метана в различных водных объектах. В книге изло­ жены экспериментальные данные, в которых сделана попытка ре­ шить ряд задач, имеющих большое значение для понимания осо­ бенностей распределения и образования метана в водоёмах и во­ дотоках. Вскрытые при этом закономерности послужили более глу­ бокому пониманию процессов, происходящих в водных экосистемах.

Внастоящей работе описаны результаты многолетних наблюдений,