книги / Метан в водных экосистемах

В качестве газа-носителя для определения метана используют азот особой чистоты, гелий, аргон, водород.

Хроматографическое определение метана осуществляют из га­ зовой фазы, которая может быть извлечена различными методами и приемами, описанными выше. Так, из дегазаторов с помощью специальных дозирующих устройств либо с помощью шприца про­ ба, содержащая метан, может быть переведена непосредственно в газовую линию хроматографа и проанализирована.

При динамической десорбции (stripping-метод) [330,381] пробу с помощью шприц-дозатора вводят через резиновую прокладку в трубку со стеклянным пористым фильтром, находящимся в замкну­ том контуре, куда подают газ-носитель. Для извлечения 99,9 % ме­ тана из пробы при комнатной температуре требуется 1 минута. Из­ влеченный из пробы метан с помощью крана-дозатора переводят в газовую линию хроматографа. При введении пробы объемом 1 мл предел обнаружения метана составляет 1,4 мкл/л [330].

При статистической газовой экстракции (фазовое равновесие) пробу помещают в герметично закрывающийся сосуд для установ­ ления равновесия в системе «вода - газовая фаза». Для ускорения этого процесса используют следующие приемы: интенсивное встря­ хивание, повышение температуры, высаливание. При достижении равновесия отбирают пробу равновесного пара и осуществляют газОхроматографический анализ. Ввод пробы в хроматограф произ­ водят либо шприцем, либо с помощью парофазного анализатора [40,42,335,342,398].

Представленные в монографии данные получены с помощью парофазного газохроматографического метода, разработанного в Гидрохимическом институте [237]. Определение метана в воде и донных отложениях в основном осуществляли в лабораторных ус­ ловиях на хроматографе “Цвет" с пламенно-ионизационным детек­ тором и устройством для парофазного анализа с пневматическим способом дозирования [40]. В отдельных случаях (Ладожское озеро, р. Волга и некоторые другие водные объекты) определение метана производили на борту судна с помощью переносного малогабарит­ ного хроматографа ХПМ-2. Ввод равновесной паровой фазы осуще­ ствляли шприцем.

В качестве сосудов для парофазного анализа использовали стандартные стеклянные флаконы полной вместимостью 42 мл с навинчивающимися пластмассовыми крышками, с отверстиями для ввода иглы и резиновым и фторопластовым вкладышами для гер­ метизации. Флаконы откалиброваны и имеют риску для точного от­ меривания объема пробы (объем паровой фазы - 5 мл).

Отбор проб воды и донных отложений на водном объекте осу­ ществляют непосредственно во флаконы для ларофазного анализа, что способствует минимизации потери метана.

Из поверхностного слоя воды пробу отбирали погружением флакона в воду с борта лодки, мостков, либо из эмалированного ведра сразу же после поднятия его на борт судна. Отбор проб с бо­ лее глубоких слоев производили батометром с резиновым шлангом, который при переливе касается дна флакона. Пробу отбирают до метки на флаконе, вносят консервант, герметично закрывают и энергично встряхивают.

Донные отложения отбираются трубкой ГОИНа. Сразу же после подъема образца донных отложений в него вдавливают устройство (мерник объёмом 1,5 мл) для отмеривания объема пробы, позво­ ляющее отбирать пробу без нарушения слойности отложений. Вы­ давливают полученный керн во флакон для парофазного анализа, заполненный водой с консервантом. После герметизации пробу не­ обходимо энергичным встряхиванием довести до гомогенного со­ стояния, в противном случае внутри керна в местах, недоступных для действия консерванта, возможно образование метана. Как пока­ зали наши эксперименты, в таких пробах содержание метана суще­ ственно возрастает (иногда на порядок и более), что приводит к за­ вышению результатов.

Донные отложения на небольших глубинах отбирают с помо­ щью трубки из прозрачного оргстекла с остро заточенными краями и фторопластовым поршнем. В случае необходимости устройствоммерником вырезается керн с различной глубины для определения послойного распределения метана.

Для хранения использовали следующие консерванты: для дон­ ных отложений - насыщенный раствор сулемы (HgCI2), для воды - насыщенный раствор сулемы, иногда раствор серной кислоты. За­ консервированные пробы воды могут храниться в течение 20 дней при температуре 4°С и в течение 15 дней при температуре не выше 25°С. Законсервированные пробы донных отложений могут хранить­ ся до 15 суток при 4°С и не более недели при 20-25°С. Хранение и транспортировку флаконов с пробами осуществляют в переверну­ том положении (пробками вниз).

В ходе анализа флаконы с пробами помещают в жидкостный термостат при температуре +50°С и выдерживают 25 минут для ус­ тановления равновесия, после чего осуществляют отбор и ввод 2 см3 равновесного пара с помощью устройства для парофазного анализа (рис.5). Для этого переключатель крана-дозатора (8) уста­ навливают в положение "Отбор пробы". Затем иглу вводят в нахо­ дящийся в термостате флакон через отверстие в пробке. Во флакон

Рис. 5. Схема устройства для анализа равновесной паровой фазы 1 - жидкостный термостат; 2 - флакон с пробой; 3 - навинчивающаяся крышка с резино-

вым и фторопластовым уплотнением; 4 - дозирующая игла; 5 - фторопластовый капилляр; 6 - обогреваемый переходник хроматографа; 7 - детектор; 8, 11 - краны-дозаторы; 9 - блок подготовки газов для обеспечения необходимогодавления; 10 - испаритель; 12 - до­ зирующая петля; 13-хроматографическая колонка; 14-термостат.

поступает газ, создавая там избыточное давление. Через 30 секунд по достижению заданного давления переключатель крана-дозатора

(8) приводят в положение ''Анализ", в результате чего происходит сброс паровой фазы через дозирующую петлю (12) в атмосферу. Сброс избытка паровой фазы производят в емкость с водой, и та­ ким образом по наличию и выходу пузырьков осуществляют кон­ троль окончания сброса. По окончании сброса (10-15 секунд) крандозатор (11) устанавливают в положение "Анализ". При этом проба

равновесного пара переносится из дозирующей петли в хромато­ графическую колонку.

Идентификация метана осуществляется по времени удержива­ ния. Ввиду отсутствия стандартных образцов метана и трудности процесса приготовления градуировочных растворов газа в качестве внешнего стандарта применяли ацетон. Градуировочные образцы метана использовали лишь для установления коэффициента пере­ счета концентрации ацетона на концентрацию метана в равновес­ ном паре.

Предел обнаружения метана в воде - 0,1 мкл/л, в донных отло­ жениях - 0,01 мкг/г влажного вещества (осадка).

К достоинствам этого метода следует отнести его простоту, значительную чувствительность, надежное изолирование пробы сразу же на этапе отбора и проведение дальнейших операций с ми­ нимально возможным искажающим воздействием на пробу, неслож­ ная легкодоступная оснастка, необходимая для выполнения анали­ за, возможность отбора большого количества проб, надежность при транспортировке.

ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ МЕТАНОГЕНЕЗА С ВЕЩЕСТВАМИ ОРГАНИЧЕСКОЙ И

НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

5.1. Влияние загрязнения органическими веществами водных объектов на концентрацию в них метана

(на примере модельных экспериментов)

Проведённые исследования показывают, что концентрация метана в отложениях водных экосистем в зависимости от года и ме­ сяца отбора проб варьирует в довольно широких пределах, при этом наибольшая амплитуда колебания значений отмечается в верхних горизонтах осадков. Значительная вариабельность содер­ жания метана связана с различными природными и антропогенными факторами и протекающими в этих водных объектах процессами, которые оказывают влияние на интенсивность образования метана метанобразующими бактериями.

Как известно, метан в водных экосистемах образуется главным образом биогенным путём при участии метанобразующих бактерий, которые завершают этап анаэробного разрушения органического вещества. Поэтому очевидно, что содержание этого газа зависит в первую очередь от концентрации органических веществ в донных осадках.

Существование тесной прямолинейной связи между содержа­ нием в донных отложениях метана и содержанием в них органиче­ ских веществ является фактом, доказанным авторами монографии как напрямую [258,263,264], так и косвенно по приуроченности мак­ симальных содержаний метана к очагам мощного антропогенного загрязнения (табл. 17 и 18).

В настоящее время модельные эксперименты наиболее точно (с минимальными искажениями) позволяют воспроизвести иссле­ дуемые процессы в водных объектах. В результате их постановки можно наблюдать наиболее тонкие функциональные и структурные изменения экосистемы в ответ на то или иное воздействие. Наблю­ дения за изменением содержания метана при внесении в воду раз­ личных загрязняющих веществ велись в мезокосмах, поставленных на озере Кривом и реке Северский Донец.

Под мезокосмами понимают микроэкосистемы, представляю­ щие собой изолированные объёмы материнской экосистемы и экс­ понирующиеся с ней, но факторы, действующие на них, задаются и контролируются исследователями. В Гидрохимическом институте

Таблица 17

Изменения содержания метана в донных отложениях водных объектов под влиянием антропогенного фактора

используются два типа изолирующих контейнеров при формирова­ нии мезокосмов - жёсткие и гибкие [249]. Контейнеры первого типа представляют собой полые жёсткие колонны из органического стек­ ла сравнительно небольшого объёма (200-250 л). Мезокосмы жёст­ кого типа используются в тех случаях, когда не требуется длитель­ ной экспозиции или когда необходимо часто изменять ход экспери­ мента. При постановке модельных экспериментов на оз. Кривом и р. Северский Донец применялись “гибкие” мезокосмы. Конструкция “гибкого’’ (плёночного) изолирующего контейнера для мезокосмов изготовлена из прозрачной полиэтиленовой плёнки, закреплённой в верхней части на пенопластовых поплавках, либо на растяжках, а в нижней - на основании. Основание служит для вычленения донных отложений и закрепления мезокосма. Достоинство гибких контейне­ ров перед жёсткими заключается в возможности вычленения боль­ ших объёмов и площадей, более длительных периодов экспозиции, а также и в том, что гидродинамическое подобие в плёночных мезокосмах лучше, чем в жёстких, из-за волнообразных колебательных движений боковой поверхности.

Таблица 18

Изменения содержания метана в воде водных объектов под влиянием антропогенного фактора (по [285], с дополнениями)

Примечание: ст.в. - сточные воды, х-б - хозяйственно-бытовые, п/з - подземные воды,п/с- подсланевые воды, ц.-бум. пр-ва - целлюлозно-бумажного производства, к-та- комбината.

Эксперимент на озере Кривом (г. Аксай Ростовской области) проводился в начале октября, наблюдения велись в течение 10 дней. Мезокосмы объёмом ~5 м3, выделяющие водную толщу вме­ сте с донными отложениями и открытые на поверхность воды, уста­

навливались на мелководном незагрязнённом участке озера, при средней глубине установки около 1-1,5 м, в зоне проникновения солнечного света. Донные отложения здесь представлены толщей органо-глинистых илов, перекрытых матами водорослей.

Первоначально среда во всех мезокосмах была одна и та же, а содержание загрязняющих веществ соответствовало фоновым уча­ сткам. В мезокосм № 2 внесли разовую добавку нафталина, азота и фосфора соответственно до концентраций 100 мкг/л, 100 мг N/л и 5 мг Pin, в мезокосм № 3 были внесены добавки нафталина, хинолина и бифенила (дифенила) до концентрации каждого ингредиента 100 мкг/л (табл. 19). Контрольный мезокосм оставался интактным. Во всех случаях, как на оз. Кривом, так и в р. Северский Донец, после внесения загрязняющих веществ и перемешивания примерно через 15-20 минут отбирались пробы воды для определения их реальных начальных концентраций. Это связано с невозможностью точно рас­ считать объём мезокосма с гибкими стенками.

Таблица 19

Изменение концентрации метана в воде мезокосмов под влиянием внесённых добавок (оз. Кривое, октябрь)

рода. Некоторое сни-

косме, что сказалось на её насыщенности кислородом.

Вмезокосмах с добавками нафталина, фосфора и азота (№ 2),

атакже с добавками нафталина, хинолина и бифенила (№ 3) со­ держание кислорода снижалось на протяжении всего эксперимента. Резкое падение его концентраций с 5,9-6,9 мг/л до 1,6-2,6 мг/л про­ изошло на пятые сутки, после которых до конца эксперимента со­ держание кислорода в воде не превышало 0,7-0,9 мг/л - в мезокос-

нию его концентраций во всех мезокосмах. Заметные различия просматриваются по абсолютным значениям. Пики максимальных содержаний метана, как правило, фиксировались на 4-е, 6-7-е и 10-е сутки.

Синхронные колебания концентраций метана во всех мезокос­ мах (с добавками и без) свидетельствуют о том, что они вызваны не внесёнными добавками, а естественными причинами, например,

биоритмами микроорганизмов, участвующих как в образовании ме­ тана, так и в его окислении.

Для большей наглядности происходящих в воде мезокосмов изменений с концентрациями метана под влиянием внесённых до­ бавок, авторами были подсчитаны значения “превышения", которые соответствуют отношению содержания метана в воде мезокосма с добавкой к содержанию метана в воде контрольного мезокосма. Полученные результаты отражены на графиках (рис.9).

В мезокосмах с добавками уже на вторые сутки наблюдалось значительное возрастание кон­ центрации мета­ на. На шестой день отношение содержания ме­ тана в мезо­ космах № 2 и № 3 к содержанию метана в контро­ ле (№1) было

максимальным и составляло соответственно 3,18 и 3,27, после чего концентрация метана в них стала падать, к последнему дню экспе­ римента достигнув величины “превышения" 1,33 - в № 2 и 2,3 - в № 3.

Резкое увеличение содержания метана в воде этих мезокосмов вызвано рядом взаимообусловленных причин. Так, добавка одного нафталина, а также вместе с хинолином и бифенилом резко отрица­ тельно сказывается на режиме кислорода, который расходуется на окисление этих загрязняющих токсичных веществ, а также на дест­ рукцию микроорганизмов, погибших как под воздействием внесён­ ных токсикантов, так и в результате снижения кислорода до леталь­ ного для облигатных аэробов уровня.

Снижение кислорода в воде способствует понижению окисли­ тельно-восстановительного потенциала как воды, так и донных от­ ложений, что активизирует анаэробные процессы, в том числе и метанообразование в поверхностном слое отложений, богатом ла­ бильными органическими веществами, а также клетками погибших микроорганизмов. Вероятно, при таком низком содержании кисло­ рода метаногенез протекает и в воде на взвешенных частицах. Кро-