книги / Метан в водных экосистемах

среды. Немаловажное значение имеет и невысокая температура воды в период исследования (10,8-14,2°С), что не способствует, как активной эмиссии метана в атмосферу, так и вероятно снижает ско­ рость метанобразования.

Таким образом, резюмируя всё вышесказанное можно отметить, что на .величину эмиссии метана в атмосферу влияет множество факторов. Основным фактором является содержание метана в во­ де, а вернее в поверхностном слое воды, которое, в первую оче­ редь, зависит от потоков метана из донных отложений, а также от глубины водного объекта в точке исследования. Поток метана из донных отложений тесно связан с содержанием метана в них, и спо­ собностью этих отложений отдавать метан. На концентрацию мета­ на в донных отложениях существенное влияние оказывает количе­ ство органического вещества в них. То есть, исходя из этих причин­ но - следственных связей, подтвержденных высокими коэффициен­ тами корреляции, можно заключить, что решающее значение для величины эмиссии метана из воды в атмосферу имеет количество органического вещества содержащегося в донных отложениях вод­ ного объекта, а также мощность его водной толщи. Немаловажное значение для величины эмиссии метана имеет температура воды, понижение которой, с одной стороны, не способствует активной эмиссии метана в атмосферу, с другой стороны снижает скорость метанобразования.

7.3. Взаимосвязь между содержаниями метана в донных отложениях и водной толще

Как правило, в водных объектах в самом верхнем горизонте донных осадков протекают аэробные процессы, ниже анаэробные. Метан является одним из конечных продуктов анаэробного распада органических веществ в отложениях, поэтому его максимум в боль­ шинстве случаев наблюдается на некоторой глубине от поверхности дна. Так, для исследованного участка реки Дон в 80% колонок дон­ ных осадков минимальные концентрации метана отмечаются в по­ верхностном слое, для Таганрогского залива минимум его содержа­ ния в поверхностном слое наблюдается в более 90% колонок. Абсо­ лютные значения содержания метана в поверхностном слое отло­ жений (0-5 см) этих водных объектов в среднем в 1,3-3,5 раза ниже, чем в подповерхностном (5-10 см). В водной толще, содержание ме­ тана на один - два порядка меньше, чем в верхнем десятисанти­ метровом слое иловых осадков. Подобные соотношения характерны и для многих других водных объектов. В результате неравномерного

б

Рис. 80. Зависимости между содержанием метана в 0-5 см слое донных отложений и придонной воде реки Дон (а) иТаганрогского залива (б), построенные по материалам исследований 1995-2000 гг.

Тесные корреляционные связи между концентрацией метана в донныхосадках и придонной воде прослежены не только в Таган­ рогском заливе, р. Дон и его притоках (реках Аксай, Большая Креп­ кая, Темерник и др.), но и в таких достаточно крупных водных объ­ ектах, как Рыбинское водохранилище и Ладожское озеро (табл.74). Общее уравнение, аппроксимирующее зависимость между данными величинами в этих объектах (рис. 82), имеет следующий вид:

где у - логорифм (Ig) содержания метана в придонной воде, мкл/л; х - логорифм (Ig) содержания метана в 0-5 см слое донных отложе­ ний, нг/г.

В водоемах с незначительными глубинами и хорошим переме­ шиванием водной толщи (например, в р. Дон и его притоках, Таган­ рогском заливе, Рыбинском водохранилище, мелководных районах Ладожского озера) тесная связь наблюдается между содержаниями метана в донных осадках и поверхностной воде, а также между со-

Рис. 81. Зависимости между содержанием метана в поверхностной и придонной воде реки Дон (а) и Таганрогского залива (б), построенные по материалам исследований 1995-2000 гг.

Таблица 74

Коэффициенты корреляции между содержаниями метана в отложениях (0-5 см) и водной толще различных водных объектов

Для определения глубины осадка, на которую прослеживается тесная корреляционная связь, были построены графики зависимо­ стей между содержанием метана в водной толще и его концентра­ цией в различных горизонтах отложений (0-5, 5-15, 15-30, 30-50, 5090 см) реки Дон и Таганрогского залива. Графики показывают, что, как правило, наиболее высокие коэффициенты корреляции в этих водных объектах наблюдаются между придонным слоем воды и верхним-30-сантиметровым слоем осадков (табл. 75).

Таблица 75

Коэффициенты корреляции между концентрацией метана

вразличных горизонтах донных отложений и его содержанием

впридонной воде реки Дон и Таганрогского залива

В нижних слоях (после 30 см) с погружением в толщу отложений связь все более ослабевает.

МЕТАН КАК ИНДИКАТОР ЭВТРОФИРОВАНИЯ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

8.1. Метан как предиктор ухудшения экологического состояния рыборазводных прудов

В настоящее время широко распространены традиционные пру­ довые хозяйства по выращиванию рыбы. Водоснабжение искусст­ венных прудов осуществляется из разнообразных естественных во­ доемов с различной степенью загрязненности. Внесение большого количества комбикормов и удобрений, малые глубины, хорошая прогреваемость воды создают условия для гиперэвтрофирования, что отражается на кислородном режиме рыборазводных прудов и, как следствие этого, на состоянии выращиваемой рыбы; нередко наблюдаются заморы. Желательной для развития и выращивания рыб принимается насыщенность воды кислородом, по крайней ме­ ре, на 75% от его полной растворимости, хотя некоторые виды рыб могут существовать при 30% насыщения.

В рыборазводных прудах с интенсивным кормлением активное участие в деструкции органического вещества принимают микроор­ ганизмы иловых отложений, причем важное место занимают ана­ эробные бактерии. В результате анаэробной деструкции образуются газы: диоксид углерода, метан, азот и другие. Массовое выделение пузырьков газа можно наблюдать в местах скопления рыб и около кормушек. По данным П.В. Михеева [168], в зависимости от условий выращивания рыбы, в сутки может выделяться 0,9-5,5 л газа с 1 м2. Данные по газовыделению из илов немногочисленны [12,141,168170,330], однако анализ этих данных позволяет сделать следующие выводы:

- наибольшая скорость газоотделения наблюдается в местах интенсивного кормления рыбы, а также в прудах, в ложе которых внесено (заделано) органическое удобрение. Так, по литературным данным [168], наибольший поток газа 5,46 л/м2сут был обнаружен в пруду со значительной кормовой нагрузкой на пруд (№ 45), а наи­ меньший - 0,87 л/м2 сут - в пруду (№ 17) с менее интенсивным кормлением (табл.76);

- выделение газа со дна прудов тем больше, чем выше темпе­ ратура воды, и наоборот. Это говорит о том, что температура явля­ ется одним из наиболее значительных факторов, влияющих на ход газоотделения в прудах. Наиболее сильное выделение пузырьков газа отмечено в прудах без водообмена. Снижение газовыделения

Таблица 76

Потери углерода и азота из илов рыбоводных прудов, 1986 г. (по [168])

Примечание: в пруду № 45 увеличена кормовая нагрузка

происходит при аэрировании и практически прекращается при смыве верхнего рыхлого слоя иловых отложений [12,168,169];

• замор рыбы наблюдается при скорости выделения газов около 5 л/м2сут. По количеству донного газа можно судить об экологиче­ ском состоянии водоема [169];

- газ, выделяющийся из донных осадков рыбораэводных прудов, имеет в основном метаново-азотный состав. По данным В.П. Ми­ хеева [168], в исследованных прудах выделяющийся из отложений газ содержал 48% метана, азота - 45%, кислорода - 5%, углекисло­ го газа - 1%. Остальные газы (водород, гомологи метана, закись азота, сероводород) составляют незначительную часть от объема метана и азота. По данным других авторов [12], содержание метана может достигать 51-66 % от всего объема выделяющегося из илов газа (табл.77).

Таблица 77

Состав среднесуточной пробы газа в выростных прудах, % (по[12])*

*• 1 - участокдна с неповреждённой поверхностью; 2 - участок дна со снятым верхним слоем почвы;

**—определение качественного состава газа не смогли провести ввиду незначительного объб* ма газа, собранногос этого участка

В верхних окисленных слоях ила неглубоких рыборазводных прудов создаются условия для обитания сапрофитных бактерий. На некотором расстоянии от поверхности донных отложений происхо­ дит смена окислительно-восстановительных условий (снижение окислительно-восстановительного потенциала с 400 до 100 мВ и менее), что создает благоприятные условия для развития анаэроб­ ных бактерий: сульфатредуцирующих, сероредуцирующих, метанобразующих. По литературным данным [168,170], вклад сульфатредукции и сероредукции в анаэробную деструкцию в илах рыбо­ разводных прудов составляет соответственно 3,2 и 14,6 %; основ­ ным же терминальным процессом является метаногенез.

Наибольшую интенсивность метаногенеза (по данным [169]) наблюдали в верхнем слое донных отложений (0-2 см) и в слое 6-8 см (ниже располагается устойчивый глинистый слой). В то же время сульфатредукция активно протекала лишь в верхнем слое ила.

Традиционно качество воды в рыборазводных прудах характе­ ризуется содержанием растворенного в ней кислорода. Так как пре­ дел обнаружения кислорода составляет несколько мг/л, а амплиту­ да колебания между максимальным насыщением кислорода и пре­ делом обнаружения весьма незначительна, то использование со­ держания кислорода для раннего распознавания ухудшения качест­ ва воды, приводящего в дальнейшем к замору рыбы, мало инфор­ мативно без дополнительных показателей.

Выявленные прямо пропорциональные зависимости между со­ держанием метана и такими гидрохимическими показателями как ХПК, БПК5, Сорг и обратно пропорциональная зависимость между концентрациями метан и кислорода (см. разд. 5.2.) позволяют рас­ сматривать метан как интегральный показатель качества воды, дающий представление о ходе биохимических процессов не только в донных отложениях, но и в водной толще водоемов.

Важным достоинством метана как индикатора экологического состояния водных экосистем, в отличие от других показателей, яв­ ляется то, что его содержание в воде может варьировать от долей до тысяч мкл/л и от сотых долей до тысячи мкг/г влажного ила в донных отложениях.

Целью нашей работы являлось установление возможности ис­ пользования содержания метана для ,оценки экологического состоя­ ния и раннего распознавания ухудшения качества воды в рыбораз­ водных прудах.

Определение метана проводили на 7 рыборазводных прудах Ростовской области (х. Рогожкино) в апреле-мае 1989 г. (табл.78), в некоторых из которых в предшествующие годы гибла рыба. Содер­ жание метана в воде в середине апреля не превышало 32,0 мкл/л,

Таблица 78

Содержание метана в воде и донных отложениях рыборазводных прудов Ростовской области (1969 г.)

т- пробы воды и денных отложений отобраны в конце марта

минимальное - 2,7 мкл/л. Содержание метана в донных отложениях варьировало от 0,03 до 0,96 мкг/г влажного ила. И лишь в двух пру­ дах (№2 и №4) содержание метана в центральной части достигало 5,9 мкг/г (№ 4) и 14,6 мкг/г (№ 2).

Через месяц, в мае 1989 г., метан определяли в прудах №№ 2, 4, 6, 9. Содержание метана в пруду № 2 за месяц возросло на поря­ док и достигло значений свыше 300 мкл/л (табл.78); в прудах №№ 4, 6 и 9 - на полпорядка и составило соответственно 151,9; 87,5 и 13,3 мкл/л.

В конце июня этого же года в пруду N9 2 наблюдалось бурное выделение газа на большей части акватории пруда; при поднесении горящей спички газ загорался. Рыба часто «выбрасывалась» из во­ ды. Содержание метана в воде по сравнению с предыдущим меся­ цем увеличилось и приближалось к 400 мкл/л.

В июне, для более детального изучения распределения содер­ жания метана по площади донных отложений рыбоводного пруда № 2, пробы на анализ отбирали в 23 точках. Пруд имел площадь 61,7 га; минимальная глубина 0,5 м, максимальная - 2 м. Распределение метана в донных отложениях представлено на рис.84. Содержание метана варьировало от 0,5 до 36,0 мкг/г и распределялось следую­ щим образом: 13% составили пробы, содержание метана в которых не превышало 1 мкг/г; 21,7% - от 1 до 5 мкг/г; 34,8% - от 5 до 10 мкг/г; 13% - от 10 до 20 мкг/г и 17,4% - от 20 до 40 мкг/г. Наибольший процент составили пробы с содержанием метана 5-10 мкг/г. Макси­ мальные значения содёржания метана 31,5 и 36,0 мкг/г были обна­ ружены в центральной части пруда. По сравнению с предыдущим месяцем максимальное содержание метана в донных осадках уве­ личилось в 2,5 раза. Среднее содержание метана в донных отложе­ ниях в конце июня в пруду № 2 составило 10 мкг/г.