книги / Метан в водных экосистемах

The final phase of preparation of this monograph has occurred at the time of proceedings of the World Climate Change Conference (Moscow, Russia, September 29 - October 3, 2003) held under the chairmanship of RAS academician Y.A. Izrael and with an obvious domination of Rus­ sian scientific school. The conference has put a period to the problem of possible climate warming and its main reasons being discussed by the world community during the last decades.

Aqueous vapour, carbon dioxide, ozone, methane, nitrous oxide, halogenated hydrocarbons and other industrial gases are named the main greenhouse gases. Together they represent some few percents of the atmosphere. Nevertheless this concentration is quite enough for the “natural greenhouse effect" generated during the long evolution of the atmosphere. Due to this feature the atmosphere is capable to retain the temperature 30°C higher than it could have without the greenhouse gases. This is highly important for the actual forms of terrestrial organic life [115].

The world community has admitted that the concentration levels of the main greenhouse gases (possibly except for the aqueous vapour) rise at an unprecedented rate in consequence of the anthropogenic activity, and so the greenhouse effect increases.

According to the climatic models, by the year 2100 the global aver­ age temperature will increase by 1.4 - 5.8°C. For all who live on the Earth it’s necessary to know about new obvious facts proving that the climate change has already started. However many doubts and uncer­ tainties concerning the possible climate change, accuracy of field obser­ vations, prognostic calculations and mainly the climate change influence on the environmental quality still remain.

In the light of the aforementioned facts, the investigations which the monograph is based on have shown the existence of close correlation between methane concentrations in water and bottom sediments of wa­ tercourses, freshwater bodies, estuaries and seas, on the one hand, and its fluxes in the system "bottom sediments - water - atmosphere", on the other hand. The anthropogenic factor influences these characteristics and may multiply their values per 10 -100. The concentration of meth­ ane correlates very closely with concentrations of pollutants (oil, different man-made organic substances, nitrogen, phosphorus and mercury com­ pounds) and such indicators as BOD5 and COD. An inverse correlation between concentrations of methane and molecular oxygen is found out in water. This regularity has provided the base of water bodies' classification according to their trophic status and pollution level. Long observations of the methane concentration changes in water and bottom

tions of the methane concentration changes in water and bottom sedi­ ments are carried out at some water bodies, it’s shown that the methane distribution in water column is influenced by its emission from the bottom sediments and its escape to the atmosphere as well as by temperature, atmospheric pressure, weather conditions (calm, storm), concentrations of natural and especially man-made substances.

in the geographical aspect the investigations of methane concentra­ tion levels and its distribution in water and bottom sediments were car­ ried out on the vast territory of former Soviet Union from the Baltic coast to the Pacific Ocean and also on the watercourses and water bodies of neighbouring countries.

For the first time the changes of methane concentrations in the water of natural and artificial lakes, ponds, rivers and brooks, estuaries, conti­ nental seas and sewage waters of different industries are presented.

The analysis has shown the existence of a certain tendency in the methane behaviour that depends on the type of water body. We have observed a progressive rise of methane concentration in water column of freshwater bodies in the direction: lakes —>artificial lakes and ponds -*• rivers and brooks. A rapid drop of methane concentration is registered in the barrier zones “river - estuary” and “river - sea (ocean)". In the brack­ ish-water basins the content of methane in water decreases in the direc­ tion: estuary -* sea -» ocean. The sewage waters of different industries and water bodies highly influenced by human activity are characterized by maximal methane concentrations. In these cases the methane emis­ sion fluxes in water and bottom sediments increase considerably.

The pattern of distribution of methane concentrations along the riv­ ers surrounded by large sources of pollution (cities, industrial zones) is very different from the slightly polluted rivers. In the last case the meth­ ane concentration generally rises from the headstream to the river mouth, however in the rivers of polluted regions it changes irregularly and rises considerably in the zones of high anthropogenic pressure.

In the climatic aspect we have observed a tendency of slight diminu­ tion of methane concentration in water column of water bodies in the cold and arid regions as well as in the direction: plains -» foothill belt -* mountains. However this regularity may be disturbed by the anthropo­ genic factor. It should be underlined that in our studies for the first time a serious consideration is paid to the outstanding role of anthropogenic factor in the changes of background methane concentrations in water and bottom sediments of aquatic ecosystems. Moreover, for the first time it's proposed to use the methane as an indicator of their early pollution.

Another important scientific and applied problem analysed in the monograph is the discovery of a close correlation between mercury and methane concentrations and the theoretical explication of this phenom­

ena being the result of conjugation of biogeochemical cycles of methane and mercury in water ecosystems and the Earth crust.

The detailed analysis of behaviour of methane and hydrogen sul­ phide in the superficial layers of bottom sediments and on the barrier "bottom sediments - bottom waters" as well as the number of methanegenerating and sulphide bacteria proves the incomplete inhibition of the methane generation process by the sulphate reduction. For the bottom sediments the most characteristic regularity is the diminution of hydrogen sulphide, total concentration and increase of methane concentration with the depth rising. However in the zones of anthropogenic material accu­ mulation the concentrations of hydrogen sulphide and methane increase simultaneously. Our explication of this regularity is that in these zones the mechanism of methane generation possibly passes from the carbon dioxide reduction and acetate fermentation to the utilisation of labile and easy of consumption organic substances by methane-generating bacte­ ria.

So, not only the domestic wastes' dumping sites, but also the pollu­ tion focuses occurring directly in the water bodies may increase the methane emission to the water column and atmosphere.

High methane concentrations in water and bottom sediments may be not only the reason of fish suffocations, but also the sign of aquatic eco­ system's collapse. It has been discovered at the example of maturation ponds.

And finally, methane may be used as a quality indicator of potable water and water distribution system as well as the indicator of human health.

Список литературы

1.Абрамочкина Ф.Н., Безрукова Л.В., Кошелев А.В.,- Гальченко B. Ф., Иванов М.В. Микробиологическое окисление метана в пресном водоеме // Микробиология, 1987, Т.56, № 3, С.464-471.

2.Авакян А.Б., Салтанкин В.П., Шарапов В.А. Водохранилища (Природа мира). Изд-во “Мысль" Москва, 1987,325с.

3.Авилов В.И., Авилова С.Д. Газобиогеохимические показатели в оценке геоэкологического состояния вод Тихого и Атлантическо­ го океанов // Докл. РАН, 1999, Т.369, № 6, С.802-805.

4.Александрова З.В., Семёнов А.Д., Ромова М.Г., Баскакова Т.Е. Режим кислорода и содержание биогенных веществ Азовского моря в многолетнем аспекте // Основные проблемы рыбного хо­ зяйства и охраны рыбохозяйственных водоёмов АзовоЧерноморского бассейна // Сб. науч. тр. (1996-1997 гг.). - Рос- тов-Н/Д, 1998, С.34-48.

5.Алексеев Ф.А., Войтов Г.И., Лебедев В.С., Несмелова З.Н. Ме­ тан. - М. Недра, 1978, 310с.

6.Алексеенко В.А. Химический состав природных вод бассейна озера Валдай как фоновый для с.-з. ЕТС И Водные ресурсы, 1986, №5, С.154-158.

7.Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисе П. Введение в химию окружающей среды. Пер. с англ. - М.: Мир, 1999, 271с.

8.Аникеев В.В., Варлатый Е.П., Дударев О.В., Недашковский А.П., Сагалаев С.Б. Распределение, потоки и баланс углерода в эс­ туарии р. Анадырь - Берингово море // Геохимия, 1996, № 12, C. 1220-1229.

9.Аникеев В.В., Обжиров А.И. Влияние низкотемпературных гид­ ротерм на газовый состав придонной воды в Охотском море // Океанология, 1993, Т.ЗЗ, № 3, С.360-366.

10.Антропогенное эвтрофирование Ладожского озера. - Л.: Наука, 1982, 304с.

11.Артемьев В.Е. Геохимия органического вещества в системе «река - море». - Москва: Наука, 1993, 204с.

12.Бекин А.Г., Александрийская А.В. Явление газоотделения в вы­ ростных прудах в условиях интенсивного рыбоводства. - М.: ВНИИПРХ, 1976, В.16, С.234-244.

13.Беляев С.С. Метанобразующие бактерии: биология, системати­ ка, применение в биотехнологии //Успехи микробиологии, 1988, Т.22, С.169-206.

14.Беляев С.С., Иванов М.В. Радиоизотопный метод определения интенсивности бактериального метанообразования // Микро­ биология, 1975, Т.44, В.1, С.166-168.

15.Беляев С.С., Лауринавичус К.С., Иванов М.В. Определение ин­ тенсивности процесса микробиологического окисления метана с использованием 14СН4 И Микробиология, 1975, Т.44, № 3, С.542545.

16.Беляев С.С., Лебедев В.С., Лауринавичус К.С. Современное микробиологическое образование метана в пресных озерах Ма­ рийской АССР II Геохимия, 1979, № 6, С.933-940.

17.Беляев С.С., Леин А.Ю., Иванов М.В. Роль метанобразующих и сульфатредуцирующих бактерий в процессах деструкции орга­ нического вещества И Геохимия, 1981, № 3, С.437-445.

18.Беляев С.С., Финкельштейн З.И. Анаэробные газообразующие бактерии в грунтах Калифорнийского залива и прибрежных рай­ онов Тихого океана // В кн.: Биохимия диагенеза осадков океа­ н а .-М .: Наука, 1976, С.75.

19.Беляев С.С., Финкельштейн, Иванов М.В. Интенсивность бакте­ риального метанобразования в иловых отложениях некоторых озер // Микробиология, 1975, Т.44, № 2, С.309-316.

20.Биогеохимический цикл тяжёлых металлов в экосистеме Нижне­ го Дона И Бессонов О.А., Белова С.Л., Водолаэкин Д.И. и др. - Ростов-Н/Д: Изд-во РГУ, 1991,112с.

21.Большаков А.М., Авилов В.И. Газы донных осадков СевероВосточной котловины Тихого океана // Геохимия, 1989, № 12, С.1669-1673.

22.Большаков А.М., Егоров А.В. Об использовании методики фазо­ во-равновесной дегазации при газометрических исследованиях

//Океанология, 1987, Т.27, № 5, С.861-862.

23.Большаков А.М. Егоров А.В. Результаты газометрических ис­ следований в Карском море // Океанология, 1995, т.35, № 3, С.399-404.

24.Большаков А.М., Симоненко Л.А. Углеводородные газы осадков Марокканской впадины/ / Океанология, 1985, T.XXV, В.З, С.489.

25.Бонч-Осмоловская Е.А., Веденина И.Я., Балашова В.В. Влияние неорганических акцепторов электрона на бактериальное обра­ зование метана из клетчатки // Микробиология, 1978, T.XLVII, В.4, С.611-616.

26.Бонч-Осмоловская Е.А., Горленко В.М., Карпов Г.А., Старынин Д.А. Анаэробная деструкция органического вещества микроб­ ных матов источника термофильного (Кальдера Узон, Камчатка)

//Микробиология, 1987, Т.56, В.6, С.1022-1028.

27.Бонч-Осмоловская Е.А., Заварзин Г.А., Герасименко Л.М., Венецкая С.Л. Исследование терминальных процессов анаэроб­ ной деструкции нагонных масс кладофоры в оз. Сиваш // Мик­ робиология, 1988, Т.57, В.2, С.312-319.

100" // Заводская лаборатория, изд-во "Металлургия”, 1986, Т.52, № 6, С.7-9,

41.Винников Ю.Я., Тамбиева Н.С. Газохроматографическое паро­ фазное определение метана в водах и донных осадках. Гидро­ химический институт // Деп. в ВИНИТИ, № 4741-В-88, Ростов- Н/Д, 1988, 15с.

42.Винников Ю.Я., Тамбиева Н.С. Количественная характеристика летучести органических веществ природных вод II Гидрохими­ ческие материалы, Л.: Гидрометеоиздат, 1987, С.117-127.

43.Виноградов М.Е., Шукшина Э.А. Лебедева Л.П., Гагарин В.И. Мезопланктон восточной части Карского моря и эстуариев Оби

иЕнисея II Океанология, 1994, Т.34, № 5, С.716-723.

44.Витенберг А.Г., Иоффе Б.В. Газовая экстракция в хроматогра­ фическом анализе. - Л.: Химия, 1982, 279с.

45.Витенберг А.Г., Иоффе Б.В. Применение непрерывной экстрак­ ции для газохроматографического измерения коэффициентов распределения и для анализа летучих примесей в растворах // ДАН СССР, 1977, Т.235, С.1071-1074.

46.Войтов Г.М., Осика Д.Г., Ерохин В.Е. и др. Особенности вариа­ ций изотопного состава водорода углеводородов при землетря­ сениях в период заполнения водохранилища Чиркейской ГЭС (Дагестан)//ДАН СССР, 1978, Т.242, № 5, С.1181-1184.

47.Волков И.И. Геохимия серы в осадках океана. - М.: Наука, 1984, 272с.

48.Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводные углеводородов. Спр. под ред. Филова В. А., Ленинград «Химия»,1990, С.17-23.

49.Галимов Э.М. Метанообразование в морских осадках в зоне сульфатредукции //Докл. РАН, 1995, Т.342, № 2, С.219-221.

50.Галимов Э.М. Квенволден К. Геохимия газов в газгидратсодержащих отложениях района Блейк-Аутер Ридж (Атлантический океан) II Геохимия, 1984, № 7, С.1075-1082.

51.Галимов Э.М., Кодина Л.А. Исследование органического веще­ ства и газов в осадочных толщах дна Мирового океана. - М.: Наука, 1982, 228с.

52.Гальченко В.Ф. Бактериальный цикл метана в морских экоси­ стемах // Природа, 1995, № 6, С.35-48.

53.Гальченко В.Ф. Сульфатредукция, метанобразование и метаноокисление в различных водоемах оазиса Бангер Хиллс, Антарк­ тида II Микробиология, 1994, Т.63, № 4, С.683-698.

54.Гальченко В.Ф., Абрамочкина Ф.Н., Безрукова Л.В., Соколова Е.Н., Иванов М.В. Видовой состав метанотрофной микрофлоры Чёрного моря // Микробиология, 1988, Т.57, В.2, С.305-311.

55.Гальченко В.Ф., Горлатов С.Н., Токарев В.Г. Микробиологиче­ ское окисление метана в осадках Берингова моря // Микробио­ логия, 1986, Т.55, В.4, С.669-673.

56.Гальченко В.Ф., Дулов Л.Е., Крамер Б., Конова Н.И., Барышева

С.В. Биогеохимические процессы цикла метана в почвах, боло­ тах и озёрах Западной Сибири // Микробиология, 2001, Т.70, № 2, С.215-225.

57.Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С. Сезонные изме­ нения концентраций метана в воде реки Дон // Тез. докп. XV Межд. шк. морской геологии. - Москва, 2003, T.l, С.309-310.

58.Геодекян А.А., Авилов В.И., Авилова С.Д. Геоэкологические ис­ следования Байкала II ДАН СССР, 1990, Т.310, № 6, С.14421446.

59.Геодекян А.А., Авилов В.И., Бордовский О.К. Газы придонных вод северо-западной части Индийского океана II Докл. РАН, 1997, Т.237, № 6, С.1483-1485.

60.Геодекян А.А., Авилов В.И., Троцюк В.Я. Интерпретация резуль­ татов газогеохимических исследований Охотского моря II Океа­ нология, T.XVII, 1977, В.2, С.237-242.

61.Геодекян А.А., Берлин Ю.М., Большаков А.М., Троцюк В.Я. Осо­ бенности распределения метана в осадках в придонной воде южной Балтики // Океанология, 1991, Т.31, В.1, С.77-83.

62.Геодекян А.А., Троцюк В.Я., Авилов В.И. Углеводородные газы в воде и донных осадках - возможные индикаторы очагов нефтегазообразования в осадочных недрах Мирового океана // Тр. ИО АН СССР, М.: Наука, 1978, 98с.

63.Геодекян А.А., Троцюк В.Я., Авилов В.И., Берлин Ю.М., Больша­ ков А.М., Житенец Р.П. Углеводородные газы в водах Балтий­ ского моря // Океанология, T.XIX, 1979, № 4, С.638-643.

64.Геодекян А.А., Троцюк В.Я., Авилов В.И., Берлин Ю.М., Больша­ ков А.М., Житенец Р.П. Углеводородные газы в водах Балтий­ ского моря И Океанология, T.XIX, 1979, № 4, С.638-643.

65.Геодекян А.А., Троцюк В.Я., Авилов В.И., Верховская З.И. Угле­ водородные газы II Химия океана, Т.1. - Химия вод океана, -М.: Наука, 1979, С.164-175.

66.Геодекян А.А., Троцюк В.Я., Верховская З.И., Авилов В.И. Газы

всовременных осадках II Химия океана, Т.2. - Геохимия донных осадков, - М.: Наука, 1979, С.291-311.

67.Геодекян А.А., Удинцев Г.Б., Береснев А.Ф., Троцюк В.Я. Геоло­ го-геофизические и геохимические исследования в Охотском море II Советская геология, 1974, № 1, С.43-52.

68.Геологический словарь.- М.: Недра, 1978, Т.1, 480с.

69.Геологический словарь,- М.: Недра, 1978, Т.2, 455с.

70.Голицын Г.С. Изменения климата в настоящем и будущем II Ме­ теорология и гидрология, 1987, № 6, С.116-121.

71.Гоман Г.А. Бактериальное восстановление сульфатов и окисле­ ние сульфидов в грунтах Байкала // Гидробиол. журнал, 1975, Т.11, №5, С.18-21.

72:Горлатов С.Н. Бактериальное образование СН4 в морских осад­ ках // Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. биол. наук. - Пущи­ но, 1990.

73.Горлатов С.Н. Современное метанобразование в верхнечетвер­ тичных осадках Черного моря // Геохимия, 1984, № 4, С.556-564.

74.Горлатов С.Н., Гальченко В.Ф., Токарев В.Г Микробиологиче­ ское образование метана в осадках Берингова моря II Микро­ биология, 1986, Т.55, В.З, С.490-495.

75.Горленко В..М, Намсараев Б.Б., Кулырова А.В., Заварзин Д.Г., Жилина Т.Н. Активность сульфатредуцирующих бактерий в донных осадках содовых озер юго-восточного Забайкалья II Микробиология, 1999, Т.68, 55, С.664-670.

76.Грезе Б.С. Лимнологический очерк Валдайских озёр и их пред­ варительная рыбохозяйственная оценка II Изв. ВНИОРХ, 1933, Т.16.

77.Григорьев С.В., Люллин А.Г Ладожское озеро как объект хозяй­ ственного использования. Изд-во "Наука”, Л., 1975,124с.

78.Грушко Я.М. Вредные органические соединения в промышлен­ ных сточных водах: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1989, 216с.

79.Гуцало Л.К., Плотников Л.Н. О формировании изотопов газов современных гидротерм //ДАН СССР, 1987, Т.292, № 6, С.14681472.

80.Гушкевич С.Н., Ломако П.П., Старосельский В.И., Ступаков В.П., Якишченко Л.Я. Перспективы газоносности акваторий СССР I I Науч. техн. обзор. Серия: Геология и разведка газовых и газо­ конденсатных месторождений. - Москва, 1974, С.52.

81.Дедыш С.Н., Паников Н.С. Влияние концентрации метана на скорость его бактериального окисления в сфагновом торфе I I Микробиология, 1997, Т.66, № 4, С.563-568.

82.Дедыш С.Н. Паников Н.С. Кинетика окисления метана в сфаг­ новом торфе в зависимости от pH, температуры и концентрации

солей // Микробиология, 1997, Т.66, № 4, С.569-573.

83.Дзюбан А.Н. Метан и микробиологические процессы его транс­ формации в воде верхневолжских водохранилищ II Водные ре­ сурсы, 2002, Т.29, Na 1, С.68-78.

84.Дзюбан А.Н. Роль процессов цикла метана в круговороте орга­ нического вещества в озёрах разного типа // Водные ресурсы, 2003, Т.30, № 4, С.452-460.

85.Дзюбан А.Н. Численность бактерий и процессы превращения метана в донных отложениях водохранилищ Волги и Камы // Микробиология, 1998, Т.67, № 4, С.573-575.

86.Дзюбан А.Н., Крылова И.Н., Кузнецова И.А. Особенности рас­ пределения бактерий и газовый режим в водной толще Балтий­ ского моря в зимний период // Океанология, 1999,. Т.39, № 3, С.383-386.

87.Дзюбан А.Н., Кузнецова И.А., Пименов Н.В. Микробиологиче­ ские процессы деструкции органического вещества в донных осадках Балтийского моря II Океанология, 2001, Т.41, № 2, С.217-223.

88.Дианов-Клоков В.И., Лукшин В.В., Матвеева О.А., Скляренко И.Я. О распределении метана в тропосфере II Изв. АН СССР,

Физика атмосферы и океана. 1977, Т.13, № 5, С.529-535.

89.Дианов-Клоков В.И., Лукшин В.В., Скляренко И.Я., Шакула Ю.П. О вариациях метана во всей толще земной атмосферы II Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1975, Т.11, № 10.

90.Дмитриев М.Т., Казнина Н.И., Пинигина И.А. Санитарно­ химический анализ загрязняющих веществ в окружающей сре­ де. - М.: Химия. 1989, С.212-213.

91.Дуда В.И. Архебактерии - новое царство живых организмов II Природа, 1984, № 2, С.13-25.

92.Егоров А.В. Биогеохимия метана в осадках Балтийского и Чёр­ ного морей: кинетические модели диагенеза II Океанология, 2000, Т.40, № 5, С.690-696.

93.Егоров А.В. Исследования распределения метана в воде и осадках северо-восточной частим Чёрного моря 1999-2002 гг. II Геология морей, и океанов. Тез. докл. XV Межд. шк, морской геологии. Том II, Москва, ГЕОС, 2003, С.167-168.

94.Ерохин В.Е. Дейтерий в газах, нефтях и водах некоторых неф­ тегазоносных месторождений страны в связи с вопросами гене­ зиса углеводородов // Автореф. на соиск. уч. степ. канд. геол.- мин. наук. - М., 1980,21с.

95.Ерохин В.Е., Титков Г.А. Первые результаты изучения изотопно­ го состава водорода в метане грязевых вулканов Азербайджана и Туркмении //ДАН СССР, 1983, Т.271, № 3, С.715-717.

96.Жекулин В.С., Нехайчик В.П. Озеро Ильмень. - Л., 1979.

97.' Жижченко Б.П. Углеводородные газы - М.: Недра, 1984,112с.