Введение к работе
Актуальность темы. Комплексные исследования Арктических морей - приоритетное направление океанологических исследований последних лет. Интерес к изучению биогеохимических процессов в северных морях связан в первую очередь с необходимостью прогноза последствий освоения углеводородного и минерального сырья морского шельфа Арктики (Безопасность России.., 2000). Моря российского сектора Арктики рассматриваются как потенциальная транспортная артерия связи Атлантического и Тихоокеанского экономических секторов. Известно, что полярные регионы являются наиболее чувствительными как к загрязнению окружающей среды, так и к происходящим климатическим изменениям, независимо от причин их возникновения (Арктика на пороге.., 2000). Общее повышение температуры, регистрируемое на нашей планете в последние десятилетия, наиболее явно выражается в снижении площади ледового покрова Северного Ледовитого океана, а также всех морей Арктики.
Комплексные исследования в Арктическом регионе поддерживаются рядом национальных и международных программ, таких как российская межотраслевая ФЦП Мировой Океан, а также программой Национального управления по исследованию океана и атмосферы США (NOAA). Масштабные исследования поддерживаются за счет современных арктических компонент международных и национальных климатических наблюдательных систем включая GEOSS, GCOS и IOOS. Значительный успех в получении данных объективных изменений в Арктическом регионе связан с реализацией американской межотраслевой программы по изучению изменений окружающей среды в Арктике (SEARCH) , NOAA. Важной отечественной программой является проект «Взаимодействие океан- суша в Российской Арктике», выполняемый под руководством академика РАН А.П. Лисицына.
В последние два десятилетия получено немало экспериментальных данных, позволяющих дать реальную количественную оценку масштабам процессов круговорота углерода, протекающим в Арктическом регионе. Современные данные по этому вопросу изложены в монографиях: Романкевич Е.А., Ветров А.А. Цикл углерода в Арктических морях России. М.: Наука 2001. 303 с.; The organic carbon cycle in the Arctic Ocean / Ed. R. Stein, R.W. Macdonald Berlin, Heidelberg: Springer. 2004. 363 p.
Важнейшим составным звеном цикла углерода, контролируемым практически на всех этапах биогеохимической деятельностью микроорганизмов, является цикл метана (Stern, Kaufmann, 2003). Метан является вторым по значимости парниковым газом, его концентрация в атмосфере Земли продолжает расти. За последние 150 лет эмиссия этого газа возросла более чем в 2.5 раза. Наиболее ощутимый рост концентрации метана в атмосфере наблюдается именно в приводном слое атмосферы морей Арктического региона (Шахова и др., 2009). Причины такого явления, а также масштабы влияния на этот процесс деятельности микроорганизмов, остаются мало исследованными.
Микроорганизмы (бактерии, археи и микроскопические эукариоты) являются важнейшей составляющей биоты водных экосистем. Микроорганизмы осуществляют многоступенчатый процесс деструкции автохтонного и аллохтонного органического вещества в водной толще и донных осадках Арктических морей. Их биогеохимическая активность определяется экологическими условиями среды обитания: качественным составом и концентрацией взвешенного и растворенного органического вещества, температурой, соленостью, показателем окислительно-восстановительного потенциала. В результате деятельности аэробных гетеротрофных микроорганизмов водной толщи осуществляется минерализация доступных органических веществ, выделяемых автотрофным фитопланктоном, а также привносимых с суши реками.
Зоной повышенной микробной активности является слой наддонной воды и слой поверхностных осадков. В этих экотонах активно выражены микробные процессы деструкции свежеосажденного органического вещества. В результате потребления кислорода создаются анаэробные условия, благоприятные для развития сульфатредуцирующих бактерий и метаногенных архей. Выделяемые сероводород и метан становятся значимыми биогеохимическими ресурсами дальнейших микробных процессов.
Рассматривая Арктический бассейн с точки зрения протекания биогеохимических процессов, необходимо отметить ряд особенностей, отличающих его от большинства акваторий Мирового океана: 1) ярко выраженную сезонность в протекании всех биологических процессов; 2) наличие ледового покрова, создающего фазовый барьер на границе атмосферы и водной толщи; 3) протекание биологических процессов в переохлажденных средах с отрицательными температурами.
При общем сходстве, связанным с постоянно низкими температурами и длительностью сезона с ледовым покровом, моря Российской Арктики имеют индивидуальные особенности. Экосистемы моря Лаптевых и особенно Карского моря в значительной мере регулируются стоком великих сибирских рек: Лены, Оби и Енисея. Напротив, водные массы Чукотского моря не подвержены терригенному опреснению, однако испытывают значительное влияние за счет водных масс, поступающих через Берингов пролив. Водная толща Баренцева моря формируется за счет теплых атлантических вод, поступающих с мощным течением Гольфстрим.
Известно, что естественная или искусственная изоляция прибрежных морских водоемов часто приводит к сероводородному заражению водной толщи и даже выделению сероводорода в атмосферу. Так, в течение 4-х лет строительства Кислогубской приливной электростанции в западной части Баренцева моря, когда ее бассейн был отделен от моря временной дамбой, сероводородное заражение фиксировалось на всей площади придонного горизонта (Марфенин, 1995). К частичной и полной изоляции приводит строительство морских дамб, насыпей, плотин. Среди прочих изменений, характерных для изолированных водоемов, наиболее негативным может оказаться сероводородное заражение придонного водного слоя, связанное с деятельностью сульфатредуцирующих прокариот. Сероводородное заражение характерно для Фрамварен фиорда в южной Норвегии (Dyrssen, 1996), а также для искусственно отделенных морских акваторий, таких как бассейн Канда- губы в Кандалакшском заливе Белого моря (Иванов и др., 1983).
Изучение активности микробных процессов циклов углерода и серы в морях Арктики является актуальной научной и практической задачей ввиду слабой изученности проблемы применительно к региону исследования.
Цель и задачи исследования. Целью работы является количественная оценка и выявление закономерностей скоростей микробных процессов циклов углерода и серы в водной толще и донных осадках морей Российской Арктики.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Адаптировать методологический подход и методические приемы, разработанные
научной школой академика М.В. Иванова для исследования биогеохимии микробных процессов в водных экосистемах, применительно к морям Арктики;
-
Получить количественные характеристики интенсивности ключевых микробных
процессов циклов углерода и серы в экологически контрастных морях Российской Арктики;
-
Определить территориальную дифференцировку в распределении
биогеохимической активности микроорганизмов циклов углерода и серы;
-
Определить сезонную и межгодовую изменчивость в распределении общей
численности микроорганизмов, концентрации растворенного метана и
интенсивности ключевых микробных процессов;
-
Выделить и исследовать микробные экотопы с повышенной активностью
биогеохимических процессов циклов углерода и серы в морях Арктики;
-
Сравнить активности микробных процессов в прибрежных и пограничных
экосистемах с открытыми морскими акваториями.
Научная новизна работы. Впервые в морях Российской Арктики по единой схеме выполнены широкомасштабные исследования активности и дана количественная оценка микробных процессов трансформации органического вещества, как в водной толще, так и в донных осадках. Проведенные исследования охватили акватории Баренцева, Норвежского, Белого, Карского, Восточно-Сибирского и Чукотского морей. До начала наших исследований (1993 г. - Карское море) сведения о концентрации метана в воде и осадках морей российской Арктики отсутствовали.
Получен большой массив данных, характеризующих общую численность микроорганизмов и величину микробной продукции в водной толще арктических морей, концентрацию метана в водной толще и донных осадках, изотопный состав углерода органического вещества водной взвеси, интенсивность ключевых микробных процессов циклов углерода и серы: образования и окисления метана и сульфатредукции. Выявлены межгодовые и сезонные различия численности и продукции микроорганизмов в морях Арктики. Выделены основные экосистемы, характеризующиеся повышенной активностью микробных процессов: зоны фронтов и маргинальных фильтров Обского и Енисейского заливов Карского моря, Двинского залива Белого моря, бентосный биофильтр в поверхностном слое донных осадков в продуктивной зоне Чукотского моря, илистая литораль Белого моря.
Впервые получены количественные характеристики интенсивности процессов микробного образования и окисления метана в донных отложениях, интенсивности его окисления в водной толще, что позволяет оценить возможный выход метана в приводный слой атмосферы Арктического региона. Использование единой методической схемы проведения экспедиционных и последующих лабораторных исследований, позволило сравнить особенности микробных процессов в Чукотском, с одной стороны, и в Баренцевом и Белом морях, с другой стороны, и выявить стратегические различия в функционировании микробных сообществ, ответственных за деструкцию органического вещества.
Получены количественные характеристики активности микробных процессов, протекающих на границе нижней поверхности многолетнего морского льда и примыкающего поверхностного слоя водной толщи. На примере Белого моря впервые показано, что интенсивность процессов, вызываемых деятельностью анаэробных микроорганизмов в различных микроландшафтах литорали, на 3 и более порядков превышает интенсивности этих процессов в осадках открытого моря.
При исследовании прибрежных морских водоемов Арктики, в разной степени изолированных от основного морского бассейна (заливов, фьордов, акваторий приливных гидростанций) и имеющих ограничения в обмене водных масс с материнским бассейном, установлено, что изоляция таких водоемов приводит к расслоению водных масс и активизации анаэробных процессов в донных осадках и придонном водном слое.
Практическая значимость работы. Выявленные количественные характеристики активности микробных процессов минерализации органического вещества являются основой для расчетов биологической емкости морских экосистем Арктики. Практически все исследования проведены в составе комплексных российских и международных океанологических экспедиций. Полученные данные являются составной частью масштабных научно-практических проектов, разрабатываемых в рамках программ «Взаимодействие океан-суша в Российской Арктике», «Система Белого моря», «Russian-American Long-term Census of the Arctic (RUSALCA)» и др.
Количественные характеристики интенсивности процессов цикла метана необходимы для совершенствования краткосрочных и среднесрочных климатических моделей, учитывающих масштабы эмиссии метана, как парникового газа, в атмосферу Арктического региона.
Данные микробиологических и биогеохимических исследований, проведенных в заливе Долгая губа - месте строительства приливной электростанции (ПЭС), вошли в итоговый экспертный отчет, регулирующий исполнение инженерного проекта.
Личный вклад автора. Все данные, использованные в настоящей работе, получены в ходе выполнения проектов, в которых автор являлся ответственным исполнителем или руководителем соответствующего раздела (РФФИ, NOAA и др.). Начало работ датируется 1993 годом - рейсом НИС «Дмитрий Менделеев» в Карское море, где автор принимал участие на всех этапах проведения полевых и лабораторных исследований. За период проведения исследований автор принял личное участие в 10- ти экспедициях: в Баренцево море, Норвежское море, Белое море, Карское море, Восточно-Сибирское и Чукотское моря и Берингов пролив.
Помимо морских экспедиций, автор участвовал и руководил прибрежными исследованиями на Белом море (5 экспедиций), в том числе в зимнее время, Баренцевом море (2 экспедиции), Карском море и архипелаге Новая Земля. В работах, выполненных в соавторстве, вклад соискателя заключался в непосредственном участии во всех этапах исследования - от постановки задач, отбора первичного материала и проведения экспериментов до обсуждения полученных данных и подготовки их к публикации, а также представлении результатов на научных конференциях регионального, общероссийского и международного уровней.
Объем экспериментального материала. В ходе выполнения исследований было отобрано и обработано: 195 станций водной толщи морей, 92 станции с донными осадками, полученными дночерпателем «ОКЕАН» или трубкой Ниемисте, 53 колонки донных осадков, полученных с помощью геологических ударных труб (наибольшая глубина опробования - 450 см), 58 станций, исследованных на литорали.и прибрежном мелководье.
Публикации и апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 50 печатных работах, включая 28 экспериментальных статей, 1 обзор и 21 публикацию в сборниках и тезисах конференций.
Основные положения диссертации доложены на Международных школах по морской геологии (2003, 2005, 2007 и 2009 гг.), ежегодных конференциях Беломорской биологической станции МГУ (1999 и 2001 гг.), на Fifth Workshop on Land Ocean Interactions in the Russian Arctic (November 12-15, 2002), на 8-th International conference on Permafrost, Zurich, Switzerland (21-25 July 2003), на международном рабочем совещании "Происхождение и эволюция биосферы" (26-29 июня 2005 г, Новосибирск), на "Russian-American Long-term Census of the Arctic" (25-28 ок;. 2005, Splendido, Montenegro), на Международной конференции «Современные экологические проблемы Севера» (10-12 октября 2006 г., Апатиты), научной конференции «Моря высоких широт и морская криосфера» Арктический и антарктический научно- исследовательский институт, Санкт-Петербург, (25-27 октября 2007 г.), на 9-th International Conference on Gas in Marine Sediments. (2008, September 15-19, Bremen, Germany), на International Conference (USA, Russia, Germany, Korea) RUSALCA-2008, Moscow, (4-5 December, 2007 г.), на YIII Всероссийской конференции «Природа шельфа и архипелагов Европейской Арктики», (Мурманск, 9-11 ноября 2008 г.), на IY Всероссийской научной конференции «Проблемы мониторинга природной среды Соловецкого архипелага» Архангельск, (8-11 декабря 2009 г.).
-5000-4000-3000-2500-2000-1500-1 OK) -500 -200 -IM -50 -25 -10 О 50 100 200 300 400 500 600 7D0 ООО 1000 (Maters)
Рис. 1. Карта-схема района проведения исследований (1993-2010 гг.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 357 страницах и включает 26 рисунков и 57 таблиц. Работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, содержащей методы и результаты исследования, обсуждения, выводов и списка литературы. Список литературы содержит 219 отечественных и 124 зарубежных наименований работ.
