Введение к работе
Актуальность. Метан (СН4) - простейший представитель подгруппы предельных (метановых) углеводородов. Он играет важную роль в биогеохимическом цикле углерода в гидросфере, атмосфере и земной коре. Основная масса газа рассеяна в осадочных и изверженных породах, в болотах, донных отложениях рек и озер, прибрежных водах морей и океанов. Интерес к генезису метана вызван не только утилитарными соображениями, но и фундаментальными проблемами, связанными с функционированием водных экосистем, жизнедеятельностью растительных и животных организмов, климатическими изменениями. В глобальном и локальном круговороте углерода, метан
- не в полной мере изученная составляющая. Природные воды содержат метан разного генезиса
и одновременно являются средой, где происходит его продукция и деструкция. Между донными
отложениями, водной тощей и атмосферой происходит постоянный газообмен, который регули
руется различными факторами и процессами. Живые организмы принимают активное участие в
геохимическом круговороте органического вещества (В.И.Вернадский, 1934), в том числе и мета
на. Наряду с образованием метана insitu он может поступать в водоемы и водотоки с болотными
водами, хозяйственно-бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными сточными водами.
Растворенное аллохтонное органическое вещество - гумус природного (почвенного) происхожде
ния - является трудно разлагаемым, а органика, содержащаяся в растительных останках (детрите),
коммунально-бытовых и промышленных сбросах, быстро утилизируется бактериями, что приводит
к образованию большого количества продуктов метаболизма. В свою очередь последние утилизи
руются бактериями - метаногенами, что приводит к существенному возрастанию содержания газа в
воде на загрязненных участках по сравнению с естественным фоном.
В последнее время большой интерес вызывает изучение процессов формирования и распределения метана в воде и донных отложений прибрежных районов океанов, морей и устьевых областей рек. В этих зонах в условиях антропогенного пресса происходит смешение органического вещества морского и наземного происхождения, причем на фоне климатических изменений. Происходит масштабное изменение содержания растворенного метана в прибрежных водах окраинных и внутренних морей.
Уровни содержания и потоки метана в водных объектах аридной климатической зоны коррелируют с уровнем их трофии, что позволяет говорить о возможности использования «метана» в качестве интегрального показателя экологического состояния водных экосистем. Современное экологическое состояние прибрежных вод Азово-Черноморского бассейна зависит не только от географических особенностей объектов, но так же от степени хозяйственного освоения побережья и водосборных территорий нижних течений рек. Устьевые области рек и приустьевые морские воды являются зонами геохимических барьеров, где происходит смена форм миграции различных веществ, в том числе органических. Вышеизложенное и стало основной предпосылкой к изучению закономерностей образования и распределения содержания метана в прибрежных водах и в нижних течениях рек Азово-Черноморского бассейна.
Ранее считалось, что метан, образованный в водных объектах insitu, присутствует в воде в незначительных количествах и практически весь подвергается окислительным процессам в водной среде. Разработанный сотрудниками ГУ «Гидрохимический институт» Росгидромета метод определения метана в воде (Тамбиева, Винников, 1989) позволил получить новые данные о достаточно больших концентрациях СН4в воде водных объектов Азово-Черноморского бассейна.
Цель работы - исследование закономерностей формирования и распределения концентраций метана в прибрежных водах бассейнов Азовского и Черного морей.
Основные задачи:
1. Проанализировать геоморфологические, гидрологические, гидрохимические и биогеохими
ческие особенности круговорота минерального и органического вещества в барьерных зонах «река
- море» и «море - суша» как факторов, оказывающих влияние на формирование метана в водах
Азово-Черноморского бассейна.
Определить основные источники, а также факторы и процессы, контролирующие современный метаногенез в морских и пресноводных экосистемах аридной зоны.
Провести теоретические и экспериментальные исследования для выявления роли загрязнения и эвтрофирования в изменении содержания метана в воде водных объектов.
Исследовать закономерности содержания метана в воде по разрезу «река - море», прибрежных водах.
Изучить биогеохимические и геоэкологические факторы, влияющие на пространственно-временные закономерности распределения метана в контактных зонах «река - море» и « море -суша».
Обосновать возможность использования уровня содержания метана в качестве интегрального показателя экологического состояния водных объектов.
Научная новизна:
выявлены особенности влияния природных и антропогенных факторов и процессов на генерацию, распределение и формирование уровней концентраций метана в водах Азово-Черноморского бассейна;
представлено теоретико-экспериментальное обоснование связи уровней концентраций метана с загрязнением и эвтрофированием водных объектов и определены основные пути его образования;
установлены пространственно-временные закономерности образования и распределения метана по разрезу «река Дон - Таганрогский залив - Азовское море»;
построены картосхемы распределения содержания метана по акватории, в поверхностном и придонном слоях воды Азовского моря, а также прибрежных водах Черного моря;
описано поведение метана в барьерных зонах «река - эстуарий - море», «река - море» и «море
- суша» в условиях антропогенного пресса;
- исследованы источники и пути поступления метана в водопроводную воду, а также механизм
его генерации in situ для оценки экологического состояния системы водоснабжения городской агло
мерации.
Практическая значимость
Основные результаты работы могут быть использованы при реализации мероприятий по реализации Водной стратегии Российской федерации на период до 2020 года и в разрабатываемой в ее рамках государственной программы «Чистая вода» для обеспечения населения Российской Федерации чистой питьевой водой.
Результаты исследований прибрежных вод Азово-Черноморского бассейна могут быть использованы комитетами по охране природы Краснодарского края и Ростовской области, рыбохозяй-ственными и другими организациями при мониторинге природных вод и позволяют прогнозировать изменение качества воды в прибрежной зоне под влиянием хозяйственной деятельности на водосборной территории.
Проведенное исследование водопроводной воды городских агломераций, расположенных в прибрежных районах региона, позволяет оперативно оценить состояние городских систем водоснабжения и качества поставляемой ими воды.
Результаты исследований использованы в отчетах по теме Росгидромета «Разработать методические рекомендации по оценке уровня загрязненности донных отложений водоемов и водотоков России и эстуарных зон по показателю «метан», по грантам РФФИ: № 00-15-98603, № 09-05-00337, по гранту Президента РФ «Ведущие научные школы» ПШ - 8030.2010.5, а также используются в учебном процессе при преподавании учебных курсов «Учение о гидросфере» и «Экология водных объектов» в Южном федеральном университете.
Положения, выносимые на защиту
По разрезу «р. Дон - Таганрогский залив» - Азовское море наблюдаются два метановых барьера, характеризующиеся падением концентрации газа в направлении повышения солености. Роль антропогенного фактора проявляется в резком увеличении концентраций метана на участках, подверженных влиянию городских агломераций.
В сезонной динамике содержаний метана в воде р. Дон определены два максимальных пика
- летний, обусловленный сильным прогревом воды, и зимний, когда наличие ледового покрова вы
полняет роль экрана, способствующего накоплению газа в поверхностном горизонте воды.
Суточная динамика содержания СН4 в поверхностном и придонном горизонтах воды в менее загрязненных районах Таганрогского залива в летний период коррелирует с динамикой взвешенного органического вещества.
Зона влияния речного стока в северо-восточной части Черного моря прослеживается в среднем до глубин 20 м, на больших глубинах содержание СН4 в воде определяется его поступлением из более глубоких горизонтов, характеризующихся анаэробными условиями.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ (Москва, 1999г.); на III международном симпозиуме по геохимии «OnAppliedlsotopeGeochemistry» (Орлеан, Франция, 1999 г.); на I и II Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Экология на современном этапе развития» (ст. Мелиховская Ростобл., 1999г., г. Аксай Ростовской обл., 2000 г.); на конференциях аспирантов и соискателей РГУ (Ростов-на-Дону, 2000, 2001 гг.); на международной выставке - ЭКОТЭК (Москва, 2000 г.); на 3-х итоговых сессиях Ученого совета Гидрохимического института Росгидромета (Ростов-на-Дону, 2000 г., 2001 г., 2004 г.); на научно - практической конференции «Градоформирую-щие технологии 21-го века» (Москва, 2001 г.); на XIV и XV Международных - школах по морской геологии (Москва, 2001 г., 2003 г.); на Круглом столе «Проблемы безопасности окружающей среды и соблюдений прав граждан в связи низким качеством питьевой воды» в рамках проведения Госсовета по воде (Ростов-на-Дону 2003г.); на III, IV, V и VI международных научно-практических конференциях «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (СОЛ «Лиманчик», 2006-2008; 2010 гг.); на научно-практической конференции (с международным участием) «Современные фундаментальные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод России» (Азов, 2009г.); на Научной конференции (с международным участием) «Современные проблемы гидрохимии и формирования качества вод России» (Азов, 2010г.).
Личный вклад автора. Автор участвовала в экспедиционных работах, отбирала пробы воды и выполняла анализы по определению СН4 на переносном малогабаритном хроматографе ХПМ-2, в случае проведения их непосредственно на водном объекте. Осуществляла обработку и интерпретацию полученных данных, решала комплексные задачи междисциплинарного характера и участвовала в разработке в отдельных положений теории метаногенеза, что отражено публикациях.
Публикации. По теме диссертации опубликованы две коллективные монографии, одни методические рекомендации, 24 публикаций, 4 из которых опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России: «Водные ресурсы» (1) и «Известия вузов. Северо-Кавказский регион» (3); 20 публикаций - в других изданиях.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 141 странице, включая 22 таблицы и 56 рисунков. Состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 150 наименований из них 14 иностранных источника.
