Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что микроорганизмы циклов углерода и серы играют ключевую роль в процессах диагенетического преобразования морских осадков. В результате микробной жизнедеятельности происходит образование С02, СН4, H2S, других восстановленных соединений серы, которые оказывают существенное влияние на процессы диагенеза. Масштабы микробного образования восстановленных соединений серы и биогазов зависят, главным образом, от величины потока органического вещества (ОВ) из водной толщи в осадочные отложения [Иванов, 1983].
Балтийское море - мелководный мезотрофный бассейн, характеризующийся сложным строением водной толщи. В результате контакта поверхностных вод речного стока, с более солеными глубинными водами, поступающими из Северного моря, в Балтийском море формируется стратификация, препятствующая циркуляции вод. Наличие на дне порогов и впадин так же мешает перемешиванию вод, вследствие чего возникают застойные явления с появлением H2S и других восстановленных соединений. Осложняет циркуляцию вод и термоклин, формирующийся весной и разрушаемый осенними штормами [Экосистемы Балтики в мае - июне 1984 года, 1987].
В первой половине XX века Балтийское море было олиготрофным водоемом, а к концу 60-х годов под влиянием эвтрофикации произошел переход к мезотрофному уровню и этот процесс продолжает развиваться. В последние десятилетия средняя
'у
величина первичной продукции в Балтийском море составляет 188 гС/(м год), в
'у
Рижском заливе и Датских проливах достигает 200 гС/(м год) [HELCOM, 2006], а в
'у
российском секторе юго-восточной части Балтийского моря - 231 гС/(м год) [Кудрявцева и др., 2012]. Высокая продуктивность Балтийских вод в сочетании со значительным поступлением аллохтонного ОВ способствует протеканию в осадочных отложениях интенсивных микробных процессов его трансформации.
В первой половине 20 века Балтийское море было олиготрофным водоемом, а к концу 60-х годов под влиянием эвтрофикации произошел переход к мезотрофному уровню и этот процесс продолжает развиваться. В последние десятилетия средняя величина первичной продукции в Балтийском море составляет 188 гС/(м год), в
'у
Рижском заливе и Датских проливах достигает 200 гС/(м год) [HELCOM, 2006], а в
'у
российском секторе юго-восточной части Балтийского моря - 231 гС/(м год) [Кудрявцева и др., 2012]. Высокая продуктивность Балтийских вод в сочетании со значительным поступлением аллохтонного ОВ способствует протеканию в осадочных отложениях интенсивных микробных процессов его трансформации.
Микрофлора донных отложений и результаты ее геохимической деятельности в Балтийском море до 70-ых годов практически не изучались, если не считать определения численности сульфатредуцирующих бактерий (СРБ) в воде и осадках трех станций Кильской бухты [Schneider, 1977], определения там же химического и изотопного состава соединений серы [Hartman, Nielson, 1969]. Было известно несколько измерений общей серы в различных осадках Балтийского моря. Имеется также информация о содержании Сорг [Горшкова, 1962; Геология..., 1976].
Первые масштабные исследования скоростей ключевых микробных процессов терминальной фазы разложения ОВ (сульфатредукции (СР), метаногенеза (МГ) и
окисления метана (ОМ)) в осадках открытого моря, в Рижском заливе, в илах Готландской и Арконской впадин, были выполнены в 70-80-ые годы прошлого столетия под руководством М.В. Иванова [Lein et al., 1981; Леин и др., 1982а, б].
В 70-ые годы сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР впервые были обнаружены аномалии в распределении углеводородных газов в придонных водах Балтийского моря [Геодекян и др., 1979]. Показано, что повышенное содержание метана в придонных слоях водной толщи, определяется разгрузкой газосодержащих флюидов, локализация которых приурочена к специфическим геоморфологическим структурам дна (углубления, кратеры и т.д.). Позднее подобные метановые кратеры (покмарки) с характерными газонасыщенными осадками (ГНО) и повышенным содержанием метана в придонной воде были выявлены в различных районах Балтийского моря в пределах Гданьской [Блажчишин и др., 1987], Арконской и Готландской впадин [Блажчишин, 1998; Геоакустические и газо-литогеохимические..., 1990; Геохимия вод...,1997]. Европейские ученые также исследовали покмарки в заливе Экернфьорде, в Кильском заливе, в Северной Балтике, в Борхольмском бассейне [Werner, 1978; Whiticar, 1978; Whiticar, Werner, 1981; Soderberg, Floden, 1992]. Однако, до сих пор в российском секторе Балтийского моря не проводилось систематических исследований состава и активности микробного сообщества донных осадков, приуроченного к зонам покмарков и геоакустических аномалий.
Значительный теоретический и практический интерес представляет изучение полузакрытых, отделенных от моря водоемов - лагун, лиманов. Мелководные районы в первую очередь принимают на себя антропогенную нагрузку густонаселенных побережий [Wulff et al., 1990], а их эвтрофирование во многом зависит от интенсивности водообмена с морем. Такими объектами в Балтийском море являются мелководные заливы (2-6 м) - Куршский и Вислинский. Куршский залив в большей степени, чем Вислинский подвержен влиянию речного стока, поскольку основное количество (87%) терригенного материала поступает с речным стоком. Тогда как в Вислинском заливе на речной сток приходится не более 58% поставляемого в водоем терригенного материала. Поэтому соленость в Вислинском заливе в среднем составляет 3,8%о, а южная часть Куршского залива является практически пресноводной.
Долгосрочный мониторинг изменения содержания хлорофилла, биогенных элементов, биомассы фитопланктона в сочетании с измерением первичной продукции и минерализации ОВ в Куршском и Вислинском заливах позволил СВ. Александрову отнести Куршский залив к гипертрофному водоему, а Вислинский залив - к эвтрофному [Aleksandrov, 2010].
Выполненные ранее исследования дают основание полагать, что в осадках Куршского и Вислинского заливов протекают активные микробные процессы деструкции ОВ. Однако до настоящего времени микробиологические и газогеохимические исследования осадочных отложений российских частей Куршского и Вислинского заливов не проводились.
Цель и задачи исследования.
Целью нашей работы было проведение микробиологических и биогеохимических исследований активности микроорганизмов в осадочных отложениях российского сектора Балтийского моря.
Для достижения этой цели нами были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать физико-химические характеристики осадочных отложений выбранных районов, а также определить содержание метана в илах и придонной воде.
-
Определить общую численность микроорганизмов и скорости ключевых микробных процессов: метанокисления, метанобразования и сульфатредукции в донных осадках.
3. Изучить состав микробного сообщества донных осадков покмарков Гданьской
впадины молекулярно-биологическими методами.
4. На основании результатов измерения скоростей микробных процессов и
данных изотопного состава углерода (8 С) метана и углекислоты оценить
геохимическую роль сульфатредуцирующих, метанобразующих и метанокисляющих
микроорганизмов в процессах круговорота углерода и трансформации основных
биогенных газов - сероводорода и метана в газонасыщенных голоценовых осадках
Балтийского моря.
Научная новизна работы. Установлено, что в осадках покмарков Гданьской впадины содержание метана, численность микроорганизмов и интенсивность микробных процессов существенно выше, чем в илах, отобранных вне этой зоны. Анализ данных интегральной скорости сульфатредукции (СР) в горизонте осадков 0-30 см показал, что средняя величина образования восстановленных соединений серы за счет разложения ОВ, поступающего из водной толщи в период наших исследований составила 5,2 ммоль/(м сут). В осадках покмарков, характеризующихся повышенным содержанием метана, заметный вклад в образование восстановленных соединений серы (до 70%) вносит процесс анаэробного окисления метана.
Результаты изучения изотопного состава углерода метана 8 С-СН4 (-68 -^ -84%) осадочной толщи покмарков свидетельствуют о его биогенном происхождении. Однако низкие скорости метаногенеза, выявленные до глубин опробования ила (160-200 см), указывают на то, что биогенный метан мигрирует из глубинных слоев осадочного чехла.
В отличие от Гданьской впадины, в Выборгском заливе Балтийского моря кратерообразные структуры не связаны с газовыделением, а образовались, по-видимому, вследствие разгрузки подземных вод. Газонасыщенные осадки залива формируются в результате высокой активности современных процессов метаногенеза.
Впервые проведены микробиологические и газо-геохимические исследования в Вислинском и Куршском заливах. В осадках более соленого Вислинского залива интегральные скорости сульфатредукции были выше, чем в осадках Куршского залива. Меньшее содержание сульфатов и их быстрое исчерпание в поровых водах осадков Куршского залива по сравнению с Вислинским, способствует активизации процесса МГ, интенсивности которого в илах Куршского залива были заметно выше.
Проведены молекулярно-биологические исследования состава микробного сообщества восстановленных осадков покмарка Гданьской впадины. Детекция
функционального гена, кодирующего а - субъединицу метил-коэнзим М редуктазы у метанотрофных архей показала, что в осадках исследованного нами покмарка Гданьской впадины обнаружены представители двух групп метанотрофных архей ANME-1 и ANME-2. Большее количество полученных последовательностей группы ANME-1 может указывать на доминирование микроорганизмов этой группы в газонасыщенных осадках покмарков Гданьской впадины.
Практическая значимость работы.
Полученные данные по скоростям микробных процессов необходимы для моделирования динамики метана в Балтийском море в прошлом (Голоценовый период), настоящем и будущем (с прогнозом возможных сценариев). Результаты проведенной работы включены в европейскую базу данных районов скопления газа, созданную в рамках проекта BONUS. Эти данные стали основой разработки динамической модели процессов продукции и трансформации газов в Балтийском море в голоцене и прогнозирования возможных сценариев последствия изменения климата в XXI веке. Проведенные исследования расширяют фундаментальные знания о микробных сообществах и процессах, протекающих в голоценовых морских осадках и осадках покмарков.
Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены на 9-ой международной конференции «Газ в морских осадках (Германия, 2008); на международной конференции «Комплексное управление, индикаторы развития, пространственное планирование и мониторинг прибрежных районов Балтики» (Россия, 2008); на международной конференции «Балтийский газ» в рамках Европейской программы BONUS (Германия, 2009); на международной конференции «Геологические и биогеохимические процессы на холодных сипах - особенности современных и ископаемых систем» (Болгария, 2009); на 10-ой международной морской геологической конференции «Геология Балтийского моря - 10» (Россия, 2010); на 10-ой и 11-ой международных конференциях «Газ в морских осадках» (Россия, 2010; Франция, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей и 8 тезисов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов, изложенных на 142 страницах машинописного текста и содержит 24 таблиц, 37 рисунков и список литературы из 318 наименований, из них 95 отечественных и 223 иностранных работ.
