CC BY
20
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Научная статья
УДК 504.064+543.31
doi: 10.18522/1026-2237-2022-3 -45-61
МЕТАН И СЕРОВОДОРОД В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВОДОХРАНИЛИЩ И ПРУДОВ БАССЕЙНА АЗОВСКОГО МОРЯ
Дмитрий Николаевич Гарькуша1¡a, Юрий Александрович Фёдоров2
12 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия 1 gardim 1@yandex. ruB 2fedorov@sfedu.ru
Аннотация. Проведены газогеохимические исследования донных отложений и воды Соколовского, Грушевского, Артемовского, Веселовского, Пролетарского, Цимлянского водохранилищ и других запруженных водоемов. Концентрации СН4 и XH2S в отложениях изменяются в пределах от 0,02 до 61,3 мкг/г и от <0,01 до 8,36 мг/г влажного осадка соответственно. Наиболее высокие концентрации СН4 наблюдаются в отложениях Артемовского, Цимлянского и Веселовского водохранилищ, а XH2S - в отложениях Пролетарского, Цимлянского и Грушевского водохранилищ. Распределение СН4 и XH2S по вертикальному профилю отложений характеризуется, как правило, увеличением концентраций от поверхностного слоя к подповерхностным горизонтам, в которых фиксируется максимальный их пик, после чего концентрации снижаются. Отличием распределения XH2S от распределения СН4 является более частая фиксация максимальных концентраций XH2S в менее глубоких слоях отложений. Содержание СН4 в сумме изученных восстановленных газов (коэффициент метанизации КСН4) в отложениях варьирует от 0,004 до 11,1 %, что свидетельствует о существенном доминировании процесса сульфатредукции над процессом метаногенеза. Проанализирована теснота связей концентраций СН4 и XH2Sмежду собой и величинами КСН4, рН и Eh отложений.
Ключевые слова: бассейн Азовского моря, водохранилища и пруды, донные отложения, окислительно-восстановительные условия, кислотно-щелочная обстановка, метан, сероводород, сульфидная сера, распределение
Благодарности: авторы благодарят старшего научного сотрудника лаборатории методов и технических средств анализа вод Гидрохимического института Н. С. Тамбиеву за определение концентраций CH4 и YH2S.
Исследование выполнено по гранту Российского научного фонда № 22-27-00671, https://rscf.ru/project/22-27-00671/ в Южном федеральном университете.
Для цитирования: Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А. Метан и сероводород в донных отложениях водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2022. № 3. С. 45-61.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0).
Original article
METHANE AND HYDROGEN SULFIDE IN BOTTOM SEDIMENTS OF RESERVOIRS AND PONDS OF THE AZOV SEA BASIN
Dmitry N. Gar'kushaYury A. Fedorov2
12 Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia 1 gardim1 @yandex. ruB 2fedorov@sfedu.ru
© Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А., 2022
Abstract. Gas-geochemical studies of bottom sediments and water of Sokolovsky, Grushevsky, Artemovsky, Veselovsky, Proletarsky, Tsimlyansky reservoirs and other dammed reservoirs were carried out. Concentrations of CH4 and XH2S in sediments vary from 0.02 to 61.3 цg/g and from <0.01 to 8.36 mg/g of wet sediment, respectively. The highest concentrations of CH4 are observed in the deposits of the Artemovsky, Tsimlyansky and Veselovsky reservoirs, and XH2S - in the deposits of the Proletarian, Tsimlyansky and Grushevsky reservoirs. The distribution of CH4 and XH2S along the vertical profile of sediments is characterized, as a rule, by an increase in concentrations from the surface layer to the subsurface horizons, in which their maximum peak is recorded, after which the concentrations decrease. The difference between the distribution of XH2S and the distribution of CH4 is the more frequent fixation of maximum concentrations of XH2S in less deep layers of sediments. The percentage of CH4 from the sum of the studied reduced gases (the coefficient of methanization of RCH4) in sediments varies from 0.004 to 11.1 %, which indicates a significant dominance of the process of sulfate reduction over the process of methano-genesis. The closeness of the relationships of the concentrations of CH4 and XH2S between themselves and the values of RCH4, pH and Eh deposits is analyzed.
Keywords: Azov Sea basin, reservoirs and ponds, bottom sediments, redox conditions, acid-base environment, methane, hydrogen sulfide, sulfide sulfur, distribution
Acknowledgments: the authors thank senior recearcher of the laboratory of Methods and Technical Means of Water analysis of the Hydrochemical Institute Tambieva N.S. for determing concentrations of CH4 and Yfl2S.
Research was financially supported by Russian Science Foundation No. 22-27-00671, https://rscf.ru/pro-ject/22-27-00671/, in Southern Federal University.
For citation: Gar'kusha D.N., Fedorov Y.A. Methane and Hydrogen Sulfide in Bottom Sediments of Reservoirs and Ponds of the Azov Sea Basin. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2022;(3):45-61. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY 4.0).
Введение
Метан и сероводород являются восстановленными газами, образующимися на конечных стадиях разложения органического вещества в гидросфере, педосфере и верхней части литосферы. Эти газы играют важную роль в круговороте углерода и серы в природе [1, 2], а метан является также одним из наиболее значимых парниковых газов, поглощающая способность которого во много раз превышает таковую углекислого газа [3-5].
Генерация метана (СН4) в донных отложениях осуществляется в основном метанобразующими археями (метаногенами), которые населяют анаэробные слои и используют ограниченное количество субстратов (Н2, СО2, ацетат, метанол, формиат, метиламины) [6-8]. Сероводород (H2S) образуется вследствие протекания процесса сульфатредукции, осуществляемого сульфатредуцирующими бактериями, которые используют кислород сульфатов для анаэробного окисления низкомолекулярных органических веществ (ацетат, пропионат, бутират, лактат, пируват, малат, фумарат, сахар, этанол, пропанол, метанол) до СО2 и сопряженного восстановления серы сульфатов до сульфида (сероводород) [1, 2, 9, 10]. Наиболее благоприятные условия для процессов метаногенеза и сульфатредук-ции складываются в верхних горизонтах мелководных иловых отложений водных объектов, характеризующихся повышенной концентрацией органического вещества и низким окислительно-восстановительным потенциалом [2, 6, 11, 12].
Сульфатредукторы и метаногены, занимая одни и те же экологические ниши [12-14], нередко используют одни и те же питательные субстраты, в частности ацетат, формиат и молекулярный водород. Поэтому между ними за обладание этими субстратами возникает конкурентная борьба, преимущество в которой принадлежит бактериям-сульфатредукторам [15]. Исследования [12, 16, 17] показали, что в пределах нескольких десятков сантиметров для океанических и морских акваторий обычно характерно обратное распределение содержаний СН4 и H2S и скоростей их образования по вертикали донных осадков, что хорошо согласуется с представлениями об ингиби-ровании процесса метаногенеза сульфатредукцией. В то же время в отдельных случаях данная закономерность не проявляется. Нередко, наряду с обратной, наблюдается и прямая связь между концентрациями СН4 и H2S [11, 13, 17, 18].
В настоящее время в научной литературе работы, направленные на одновременное изучение закономерностей формирования уровня концентраций и распределения СН4 и H2S в донных отложениях, касаются в основном морских и озерных экосистем [9, 12, 18-24], в то время как работы, посвященные процессам сопряженной генерации и распределения этих газов в донных отложениях водотоков, водохранилищ и прудов, единичны [11, 13, 17, 25].
В настоящей статье рассматриваются результаты сопряженного изучения распределения концентраций СН4 и H2S в донных отложениях водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря.
Объекты, материалы и методы исследования
В летне-осенний период (июнь - октябрь) в бассейне Азовского моря проведены исследования Соколовского, Артемовского, Грушевского, Цимлянского, Веселовского и Пролетарского водохранилищ и других запруженных водоемов (рис. 1, таблица).
38° bjxja 40° 42° . 7
48° ) Таганрог т г • >р' ^U......г IV - А 4-1 4-Ц2 ДОН эстов-на-Дону 9-1 • • 9-2 6>Г6"2 Волгодонск ^ 10-1 • • 10-2 ) • / 1 1 Элиста
46° Li ] и • / Кубань Сраснодар \ ^
Рис. 1. Местоположение станций наблюдения в исследованных водохранилищах и прудах бассейна Азовского моря: 1 - Соколовское водохранилище; 2 - Грушевское водохранилище; 3 - Артемовское водохранилище; 4-1 и 4-2 - пруд-отстойник шахты «Южная»; 5 - пруд-аэратор шахты «Аютинская»;
6-1 и 6-2 - Цимлянское водохранилище; 7 - водоем-охладитель Ростовской АЭС; 8 - рисовый чек; 9-1 и 9-2 - Веселовское водохранилище; 10-1 и 10-2 - Пролетарское водохранилище; 11 - пруд лотосов
/ Fig. 1. Location of observation stations in the studied reservoirs and ponds of the Azov Sea basin: 1 - Sokolovskoye reservoir; 2 - Grushevskoye reservoir; 3 - Artemovskoye reservoir; 4-1 and 4-2 - sedimentation pond of the Yuzhnaya mine; 5 - aerator pond of the Ayutinskaya mine; 6-1 and 6-2 - Tsimlyanskskoye reservoir;
7 - cooling reservoir of the Rostov NPP; 8 - rice check; 9-1 and 9-2 - Veselovskoye reservoir;
10-1 and 10-2 - Proletarskoye reservoir; 11 - Lotus pond
Водохранилищами принято считать искусственно созданные котловинные и естественные озерные водоемы с замедленным водообменом, полным объемом более 1 млн м3, уровенный режим которых постоянно регулируется (контролируется) гидротехническими сооружениями в целях накопления и последующего использования запасов вод для удовлетворения хозяйственных и социальных потребностей [26]. Водохранилища - это антропогенные, управляемые человеком объекты, но испытывающие и сильнейшее воздействие природных факторов, поэтому как объекты изучения, использования и управления они занимают промежуточное положение между чисто природными и чисто техническими образованиями. У водохранилищ нет природных аналогов, поскольку процессы трансформации вещества и энергии в них имеют иные, чем в озерах и реках, масштабы, направленность, интенсивность и длительность, что выражается в показателях качества воды, в структуре и продуктивности водных экосистем [26].
Соколовское (Киселевское) водохранилище, расположенное на территории Ростовской области, сооружено в 1930-1945 гг. на реке Кундрючья и служит для питьевого водоснабжения городов Новошахтинск и Красный Сулин. Водоём вытянутый, длина - более 8 км, ширина -до 600 м, площадь водного зеркала - 3,2 км2. Глубина плавно увеличивается от 3 м в районе села Киселево до 10 м в районе плотины, расположенной в Соколово-Кундрюченском микрорайоне г. Новошахтинска.
Результаты экспедиционных исследований водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря / Results of expedition studies of reservoirs and ponds of the Azov Sea basin
Водный объект № станции и ее местоположение Координаты, с.ш/в.д. (месяц проведения исследования) Вода Донные отложения
Температура, °С / СН4, мкл/дм3 Горизонт отбора проб, см Eh, мВ рн CH4, мкг/г IHS, мг/г КСН4, % Визуальное описание донных отложений
Соколовское водохранилище на р. Кундрючья (правый приток р. Северский Донец, система р. Дон) Станция 1, в 10-15м от уреза воды, глубина до 1 м. Ростовская область, г. Новошахтинск 47°50'41.92" / 39°55'06.19" (август) 24,0 21,5 0-2 -138,5 7,00 0,97 0,96 0,10 Темно-серый, местами коричневый (элементы почвы) влажный ил
2-5 -174,5 6,47 0,84 0,47 0,18 Темно-серый ил, более плотный, с небольшой примесью песчаного материала
5-10 -179,0 7,29 3,97 0,16 2,42 То же, более плотный
10-15 -117,0 7,12 0,53 0,01 5,03 То же, с примесью песчаного материала и обломков раковин моллюсков до 10-15 %
Грушевское водохранилище на р. Грушевка (левый приток р. Туз-лов, система р. Дон) Станция 2, в 1-2 м от уреза воды, глубина до 1 м. Ростовская область, г. Шахты 47°43'11.19" / 40°15'21.87" (август) 25,0 3,4-75,9 (n = 2) 0-2 -230,0 7,79 0,16 3,88 0,004 Серые и темно-серые плотные илы с растительными остатками 5-10 %
2-5 -174,6 7,72 0,22 3,60 0,01 Серые и темно-серые очень плотные илы с примесью песчаного материала 5-10 %
5-10 -155,0 7,36 0,19 4,02 0,005 То же
10-15 -137,5 7,01 0,18 0,74 0,02 То же
Артемовское водохранилище на р. Грушевка (левый приток р. Тузлов, система р. Дон) Станция 3, в 5 м от уреза воды, глубина до 1 м. Ростовская область, г. Шахты 47°45'45.27" / 40°17'40.22" (октябрь) 12,0 1,05 0-2 -50,0 7,45 9,33 1,08 0,86 Темно-серый и черный влажный глинистый ил с растительными остатками
2-5 -113,0 7,55 12,1 0,77 1,55 То же, но более плотный
5-10 -50,0 7,59 14,8 0,49 2,93 То же, но более плотный
10-15 -135,0 7,80 21,2 0,52 3,92 То же, но более плотный
15-20 -170,0 7,58 16,4 0,21 7,24 То же, но более плотный
Пруд-отстойник шахты «Южная» Станция 4-1, в 2-3 м от уреза воды, глубина до 1 м. Ростовская область, г. Шахты 47°41'25.83" / 40°08'05.06" (август) 23,9 5,8-80,8 (ср. 38,1; n = 3) 0-2 -114,0 8,17 0,17 1,86 0,01 Темно-серый и черный глинистый ил
2-5 -155,0 7,77 0,51 0,95 0,05 То же
5-10 -229,0 7,41 0,39 0,57 0,07 То же
10-15 -221,0 7,80 0,49 1,35 0,04 То же
Станция 4-2, в 1-2 м от уреза воды, глубина до 1 м. Ростовская область, г. Шахты 47°41'25.83" / 40°08'05.06" (октябрь) 10,0 1,0 0-2 -116,0 7,27 0,44 2,03 0,02 Черный маслянистый глинистый ил с растительными остатками. Запах ШБ
2-5 -288,0 7,37 0,25 2,89 0,01 То же
5-10 -315,0 7,38 0,50 2,62 0,02 То же
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Продолжение таблицы
Водный объект № станции и ее местоположение Координаты, с.ш/в.д. (месяц проведения исследования) Вода Донные отложения
Температура, °С / СН4, мкл/дм3 Горизонт отбора проб, см Eh, мВ рн CH4, мкг/г IHS, мг/г КСН4, % Визуальное описание донных отложений
Пруд-аэртор шахты «Аю-тинская» Станция 5, в 2-3 м от уреза воды, глубина до 0,5 м. Ростовская область, г. Шахты 47°38'44.68" / 40°10'42.37" (октябрь) 6,0 0,4 0-2 103,0 7,68 0,10 <0,01 >0,99 Черный сильно мажущийся ил, состоящий из тонкозернистых частиц угля
2-5 201,0 7,68 0,16 <0,01 >1,57 То же
5-10 204,0 7,32 0,15 <0,01 >1,48 То же
10-15 186,0 7,6 0,15 <0,01 >1,48 То же
15-20 162,0 7,37 0,22 <0,01 >2,15 То же
20-25 146,7 7,55 0,27 <0,01 >2,63 То же
Цимлянское водохранилище на р. Дон Станция 6-1, в 3 м от уреза воды, глубина до 0,7 м. Ростовская область, г. Волгодонск 47°31'51.85" / 42°10'11.07" (июль) 27,0 53,9 0-5 - - 30,4 0,37 7,59 Серый влажный ил
5-10 - - 51,2 4,62 1,10 Серый ил с черными примазками (гидротроилит)
10-15 - - 49,3 4,14 1,18 То же
15-20 - - 3,64 2,48 0,15 Коричнево-серый ил с черными примазками
20-25 - - 2,44 0,07 3,37 Коренные светло-коричневые суглинки
Станция 6-2, в 5 м от уреза воды, глубина до 0,7 м. Ростовская область, к северо-востоку от г. Волгодонска, в 1-2 км от п. Хорсеев 47°37'54.46" / 42°26'50.17" (июль) 0-5 - - 0,12 0,12 0,10 Серо-коричневый заиленный песок
5-10 - - 1,32 0,30 0,44 Темно-серый заиленный песок с примесью гравия
10-15 - - 3,35 1,83 0,18 Темно-серый заиленный песок
15-20 - - 2,14 0,08 2,61 Темно-серый заиленный песок с включениями целых раковин моллюсков
20-25 - - 2,52 0,32 0,78 Светло-коричневый заиленный крупнозернистый песок с включениями гравия
25-30 - - 1,18 0,98 0,12 Светло-коричневый заиленный песок
30-35 - - 0,66 <0,01 >6,19 Светло-коричневый песчаный ил
35-40 - - 0,29 0,23 0,13 Темно-коричневый заиленный песок
40-45 - - 0,16 <0,01 >1,57 Коренные суглинки с примазками серой глины
Водоем-охладитель Ростовской АЭС Станция 7, в 1-2 м от уреза воды, глубина до 0,7 м. Ростовская область, восточнее г. Волгодонска 47°35'2.65" / 42°21'44.82" (июль) 30,5 44,4 0-2 - - 0,22 0,40 0,05 Темно-серый заиленный песок
2-11 - - 0,59 0,10 0,59 Серовато-коричневый песок
11-16 - - 0,05 <0,01 >0,50 Серый песок
16-20 - - 0,06 <0,01 >0,60 Светло-серый песок с ржавыми включениями
20-25 - - 0,05 <0,01 >0,50 Серый песок с примазками коричневой глины
Рисовый чек, наполняемый из р. Западный Ма-ныч (левый приток р. Дон) Станция 8, в 7 м от уреза воды, глубина до 0,1 м. Ростовская область, в 1 км от х. Валуй-ский 47°01'34.62" / 41°21'22.39" (июнь) 31,0 0,9-1,3 (n=2) 0-2 168,6 7,6 0,07 <0,01 >0,70 Темно-каштановые затопленные почвы
2-5 108,2 7,5 0,05 <0,01 >0,50 То же
5-10 6,4 7,5 0,06 <0,01 >0,60 То же
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Окончание таблицы
Координаты, с.ш/в.д. (месяц проведения исследования) Вода Донные отложения
Водный объект № станции и ее местоположение Температура, °С / СН4, мкл/дм3 Горизонт отбора проб, см Eh, мВ рн CH4, мкг/г I№S, мг/г КСН4, % Визуальное описание донных отложений
Веселовское Станция 9-1, в 46°41'11.30"/ Темно-серый глинистый ил
водохрани- 1-2 м от уреза 41°39'49.50" 0-2 - - 2,20 0,22 0,99 с обломками раковин и рас-
лище на р. воды, глубина тительными остатками
Западный до 1 м, верхо- (октябрь) 2-5 - - 25,3 0,34 6,93 То же
Маныч вье водохра- 5-10 - - 20,3 0,43 4,51 То же
(левый приток р. Дон) нилища, левый берег р. Чепрак (левый приток р. Западный Маныч). 10-15 - - 61,3 0,49 11,1 То же
15-20 - - 15,4 0,86 1,76 То же
25-30 - - 12,9 0,78 1,63 Темно-серый глинистый ил
30-35 - - 4,30 1,71 0,25 То же
35-40 - - 0,20 1,34 0,01 То же
Ростовская 40-45 - - 0,24 1,55 0,02 То же
область, ниже 45-50 - - 0,20 1,23 0,02 То же
г. Пролетар-ска 50-55 - - 0,35 1,37 0,03 То же
Станция 9-2, в 46°38'46.00"/ Темно-серый и черный
1-2 м от уреза воды, глубина 41°37'31.40" 0-2 - - 0,14 0,30 0,05 влажный ил с примесью песка и растительных остат-
до 1 м, верхо- (октябрь) ков
вье водохранилища, 2-7 - - 0,31 1,22 0,03 Черный ил с обломками раковин моллюсков
левый берег - 7-15 - - 2,24 0,07 3,10 Серая глина
р. Западный Маныч. Ростовская область, ниже 15-20 - - 0,08 0,19 0,04 Темно-серый ил с песком
20-25 - - 0,08 0,33 0,02 То же
25-30 - - 0,02 0,26 0,01 То же
пос. Ма-нычстрой 30-35 - - 0,03 0,03 0,10 То же
Пролетар- Станция 10-1, 46°24'24.53"/ Черный влажный ил с вклю-
ское водо- в 15 м от уреза 42°42'6.90" 0-2 - - 0,09 0,64 0,01 чениями растительных
хранилище воды, глубина остатков
на р. Запад- до 0,1 м, се- (сентябрь) 15,0 Черно-бурый влажный ил с
ный Маныч верный берег. - 2-5 - - 0,13 1,36 0,01 включениями глины и рас-
(левый при- Ростовская тительных остатков
ток р. Дон) область 5-10 - - 0,06 0,02 0,30 Бурая плотная, пластичная глина
Станция 10-2, 46°20'53.31"/ Черный плотный, масляни-
в 3 м от уреза 42°31'58.63" 0-2 - - 3,88 5,48 0,07 стый, пластичный ил с силь-
воды, глубина ным запахом H2S
до 0,1 м, юж- (сентябрь) 2-5 - - 1,29 8,36 0,02 То же
ный берег. - То же, но с большим коли-
Республика Калмыкия 5-10 - - 0,69 6,00 0,01 чеством растительных остатков
10-15 - - 0,44 6,71 0,01 То же
15-20 - - 0,50 5,83 0,01 То же
Пруд лото- Станция 11, в 45°22'58.00"/ Черный глинистый ил с рас-
сов, заполненный во- 0,5 м от уреза воды, глубина 38°26'14.04" 0-2 - - 6,60 0,87 0,75 тительными остатками, дресвяным и гравийным мате-
дой из Анге- до 0,6 м. Крас- (август) 25,0 226,0286,0 риалом
линского ерика нодарский край, станица 2-5 - - 3,90 5,00 0,08 Черный более плотный, маслянистый, глинистый ил
(система Старониже- (n=2) 5-9 - - 4,10 1,60 0,26 То же
р. Кирпили) стеблиевская 9-12 - - 5,80 0,56 1,03 То же
12-16 - - 7,90 0,46 1,69 Более рыхлый песчано-алев-ритопелитовый ил
Грушевское водохранилище (или став хлопчатобумажного комбината), расположенное на территории Ростовской области, сооружено в 1985 г. путем перегораживания дамбой реки Гру-шевка с целью создания зоны отдыха в районе поселка Текстильщиков г. Шахты. Протяженность водохранилища составляет около 2 км, ширина - до 330 м и площадь водного зеркала -351 тыс. м2. С распадом СССР зона отдыха оказалась заброшенной. В ходе реконструкции и ремонта дамбы в 2007 г. вода из водоема была спущена, а в 2008 г. водохранилище вновь заполнили водой.
Артёмовское водохранилище, расположенное на территории Ростовской области, построено в 1929 г. на реке Грушевка в южной окраине г. Шахты для охлаждения турбин Шахтинской ГРЭС им. Артёма. Водоем перегорожен посередине плотиной со шлюзами. Общая длина - около 3 км, ширина - до 300 м, площадь водного зеркала - 545 тыс. м2. Правый берег скалистый, покрыт в основном травянистой растительностью и прорезан по всей длине балками и оврагами. На более пологом левом берегу преобладает лесной массив. Здесь располагается неорганизованная зона отдыха.
Цимлянское водохранилище, расположенное на территории Ростовской и Волгоградской областей, образовано плотиной Цимлянской ГЭС на р. Дон как составная часть Волго-Донского водного пути. Заполнение водохранилища происходило в течение 1952-1955 гг. Площадь водохранилища составляет 2700 км2, объем - 23,8 км3, длина - 280 км, ширина - до 38 км, глубина - до 28 м [27]. На месте устьевых участков основных притоков Дона - рек Цимла, Чир, Аксай и др. - образовались заливы шириной до 5 км и длиной 15-30 км. Помимо орошения и рыбного хозяйства, водохранилище осуществляет многолетнее регулирование стока р. Дон. На его берегах расположены города Калач-на-Дону, Цимлянск, Волгодонск. Наименьший уровень воды в Цимлянском водохранилище отмечается с декабря по март, наибольший - с мая по июль, что обусловлено режимом наполнения и сработки водохранилища.
Веселовское водохранилище, расположенное на территории Ростовской области, является источником орошения Манычской и Азовской оросительных систем и внесистемных участков. Водохранилище образовано путем затопления пойменной и частично надпойменной террасы долины р. Западный Маныч. Строительство Веселовского гидроузла с плотиной, шлюзом и водохранилищем завершено в 1933 г., а полное его наполнение произошло в 1942 г. [27]. Площадь зеркала водохранилища составляет 279 км2, длина - 100 км, ширина - до 7 км, глубина -до 7-8 м [27]. Его питание осуществляется из западного отсека Пролетарского водохранилища, донской водой из ДМК по Садковскому сбросу и из Пролетарского канала по Ельмутинскому сбросу. Также в водохранилище поступают возвратные воды с Пролетарской и Манычской оросительных систем. При Веселовской плотине имеется судоходный шлюз, донный водовы-пуск и ГЭС, которая в настоящее время не работает. Помимо орошения, водохранилище построено для многолетнего регулирования стока р. Западный Маныч, судоходства (шлюзования) и рыбного хозяйства.
Пролетарское водохранилище, расположенное на территории Ростовской области, Ставропольского края и Республики Калмыкии, является верхним и наибольшим среди каскада водохранилищ в долине р. Западный Маныч. Плотина водохранилища построена в 1938 г., а полное завершение строительства Пролетарского гидроузла с плотиной и судоходным шлюзом произошло в 1960 г. путем затопления и соединения между собой ряда озер Манычской впадины, в том числе озера Маныч-Гудило [27]. Непосредственно выше устья р. Большой Егорлык расположена Ново-Манычская дамба, разделяющая Пролетарское водохранилище на западный и восточный отсеки. Восточный отсек представляет собой водоем, сохраняющий в основном морфометрические характеристики озера Маныч-Гудило, которое является наиболее крупным водоемом каскада, длиной - 175 км, шириной - до 10 км и площадью водного зеркала - 700 км2. Западный отсек Пролетарского водохранилища по своим размерам наименьший в каскаде. Его длина - около 19 км, ширина - до 2 км и площадь водного зеркала -35 км2. Он занимает командное положение над всем каскадом, через этот отсек проходит большая часть приточных вод. Поступление воды из западного отсека в восточный (оз. Ма-ныч-Гудило) в настоящее время прекращено, хотя технические возможности для этого имеются. Из западного отсека в Веселовское водохранилище вода поступает через донный водо-выпуск и судоходный шлюз. Западный отсек используется для орошения, судоходства и рыбного хозяйства.
Водоем-охладитель Ростовской АЭС, наполняемый водами Цимлянского водохранилища, -это молодой водоем, образованный в 1980-2000 гг. путем отсечения части Цимлянского водохранилища земляной дамбой. Площадь зеркала водоема составляет 18 км2, длина - 8,3 км, ширина - до 3 км, максимальная глубина - до 6 м.
Рисовый чек, входящий в состав рисового массива предприятия ООО «Энергия» (пос. Валуй-ский Пролетарского района Ростовской области), наполняется водами р. Западный Маныч в апреле-мае, а спускается в середине сентября. Его длина - около 200 м, ширина - 150 м и площадь водного зеркала - 30,5 тыс. м2. Затапливаемые почвы рисового массива представляют собой солонцеватые разности темно-каштановых почв.
Пруд лотосов, расположенный в станице Старонижестеблиевской Краснодарского края, наполняется водой из Ангелинского ерика, входящего в систему реки Кирпили, которая впадает в Кирпильский лиман Азовского моря. Площадь зеркала пруда составляет 14 тыс. м2, длина - до 200 м и ширина - до 100 м.
Пруд-отстойник шахты «Южная» расположен на юго-восточной окраине г. Шахты Ростовской области. Его длина - около 125 м, ширина - 68 м и площадь водного зеркала - 7,1 тыс. м2. На большей площади прибрежной зоны отстойника каменистое дно. В период исследования наблюдалось активное цветение ряски, покрывающей до 30-35 % площади водоема.
Пруд-аэратор шахты «Аютинская» расположен на южной окраине г. Шахты. Длина пруда-аэратора - около 46 м, ширина - 42 м и площадь водного зеркала - 1,6 тыс. м2. Его большая часть в период исследования высохла и заросла тростником. Поверхностный слой илов, оголившихся в результате осушения пруда-аэратора, практически повсеместно покрыт белым налетом солей толщиной от 1 до 3 мм. Высохшие черные илы, состоящие из тонких частиц угля, имеют слоистое строение и легко раскалываются на слои.
В ходе исследований водохранилищ и прудов, помимо метана (СН 4) и общего содержания сульфидной серы (далее - суммарного сероводорода SH2S), в отдельных водных объектах в различных горизонтах (до 55 см) донных отложений определены значения Eh и рН. Пробы донных отложений отбирали в основном в прибрежных участках с глубинами до 1 м с помощью специально сконструированной трубки с остро заточенными краями и фторопластовым поршнем для выдавливания керна.
Для характеристики сопряженного распределения СН4 и XH2S в донных отложениях впервые использован коэффициент метанизации, представляющий собой процентное содержание СН4 в сумме концентраций (мг/г) восстановленных газов - XH2S и СН4.
Отбор, транспортировка, хранение проб и последующее определение СН4 и SH2S проводили согласно аттестованным методикам, описанным в работах [17, 18]. Определение метана выполняли на газовом хроматографе «Хроматэк-Кристалл 5000.2» с дозатором равновесного пара на пламенно-ионизационном детекторе. Выполнение измерений массовой доли SH2S основано на переводе сульфидов донных отложений в сероводород действием соляной кислоты и последующей отдувке сероводорода азотом особой чистоты в раствор гидроксида натрия и определении сульфид-ионов фотометрическим методом с ^^диметил-п-фенилендиамином. При этом в общее содержание сульфидной серы входят как растворенные в поровой воде сероводород и сульфиды щелочных металлов, так и сульфиды, содержащиеся в твердой фракции, которые представляют собой кислоторастворимые сульфиды железа и тяжелых металлов, нерастворимые в воде. Определение газов производилось в донных отложениях при их естественной влажности и выражалось в мкг/г и мг/г влажного осадка (вл. о.) соответственно для метана и сероводорода. Определение величин Eh и pH выполнено с помощью электродов портативного рН-метра, иономера «Экотест-2000» сразу после отбора проб.
Результаты исследования и их обсуждение
Температура воды в водохранилищах и прудах в период наблюдений (июнь - октябрь) варьировалась в диапазоне от 6 до 31 °С, с минимальными значениями, зафиксированными в октябре, в пруду-отстойнике шахты «Южная» и пруду-аэраторе шахты «Аютинская» (таблица). Концентрации СН4 в воде исследованных водоемов варьируются от 0,4 до 80,8 мкл/дм3 (в среднем 24,5 мкл/дм3), с максимальными значениями, наблюдаемыми в летний период, в
пруду-отстойнике шахты «Южная», в Грушевском и Цимлянском водохранилищах и минимальными - в осенний период - в Артемовском водохранилище и пруду-аэраторе шахты «Аютинская».
Донные отложения исследованных участков водохранилищ и прудов представлены преимущественно темно-серыми до черного илисто-песчаными отложениями, для которых характерны нейтральная или слабощелочная среда (рН - от 6,47 до 8,17, в среднем 7,50) и восстановительные условия (Eh - от -315,0 до -50,0 мВ, в среднем -163,1 мВ). Исключением являются затопленные почвы рисового чека, а также отложения пруда-аэратора шахты «Аютинская», представленные тонкими обломками частиц угля, в которых наблюдаются окислительные условия (Eh - от +6,4 до +204,0 мВ, в среднем +142,9 мВ) (таблица). Следует отметить, что наблюдения на рисовых чеках проводились спустя месяц после их заполнения водой (в фазу полных всходов риса - 2-3 листа). В то же время, по данным не вошедших в настоящую статью наблюдений в сентябре, перед уборкой риса (в фазу полной спелости) значения Eh в верхнем 0-15 см слое затопленных почв заметно снизились до -114,4.. .+13,1 мВ (в среднем -74,0 мВ; количество определений n = 4).
Концентрации СН4 в донных отложениях водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря изменяются в пределах от 0,02 до 61,3 мкг/г влажного осадка (среднее значение - 5,26 мкг/г, медиана - 0,50 мкг/г), что согласуется с данными по диапазону варьирования и средним концентрациям СН4 в водохранилищах Волги, Камы и Кубани [11]. Концентрации SH2S варьируются в пределах от <0,01 до 8,36 мг/г влажного осадка (среднее значение - 1,28 мг/г, медиана -0,49 мг/г). В целом в отложениях исследованных водохранилищ наблюдаются достаточно высокие концентрации данных газов, свидетельствующие об интенсивных процессах анаэробного распада органического вещества и активно протекающих процессах метаногенеза и сульфатре-дукции [11, 13, 17, 23].
Наиболее высокие концентрации СН4 наблюдаются (таблица, рис. 2) в Артемовском (до 21,2 мкг/г, в среднем 14,8 мкг/г), Цимлянском (до 51,2 мкг/г, в среднем 10,6 мкг/г) и Веселов-ском (до 61,3 мкг/г, в среднем 8,09 мкг/г) водохранилищах. Несколько меньшие концентрации зафиксированы в пруду лотосов (до 7,90 мкг/г, в среднем 5,66 мкг/г), Соколовском (до 3,97 мкг/г, в среднем 1,58 мкг/г) и Пролетарском (до 3,88 мкг/г, в среднем 0,89 мкг/г) водохранилищах. В остальных водоемах концентрации СН4 не превышают 0,59 мкг/г, составляя в среднем от 0,06 до 0,39 мкг/г, с минимальными значениями в затопленных почвах рисовых чеков.
Наиболее высокие концентрации SH 2S наблюдаются в отложениях Пролетарского (до 8,36 мг/г, в среднем 4,03 мг/г), Цимлянского (до 4,62 мг/г, в среднем 1,11 мг/г) и Грушевского (до 4,02 мг/г, в среднем 3,06 мг/г) водохранилищ, пруда лотосов (до 5,0 мг/г, в среднем 1,70 мг/г) и пруда-отстойника шахты «Южная» (до 2,89 мг/г, в среднем 1,75 мг/г). Несколько меньшие концентрации SH2S отмечены в отложениях Веселовского (до 1,71 мг/г, в среднем 0,71 мг/г), Артемовского (до 1,08 мг/г, в среднем 0,61 мг/г) и Соколовского (до 0,96 мг/г, в среднем 0,40 мг/г) водохранилищ. Минимальные концентрации SH 2S (менее 0,01 мг/г) зафиксированы в обедненных органикой черных мажущихся илах пруда-аэратора шахты «Аютинская», сложенных тонкозернистыми углистыми частицами, а также в затопленных водой почвах рисовых чеков. Отложения данных водоемов характеризуются окислительными условиями среды, что обусловливает низкие скорости анаэробных процессов, в том числе сульфатредукции и метаногенеза, и, как следствие, самые низкие концентрации как SH2S, так и СН4.
Распределение метана по вертикальному профилю изученных отложений характеризуется, как правило, увеличением его концентраций от поверхностного 0-2 см слоя к более нижним слоям, в которых фиксируется максимальный пик (чаще в слоях 5-10 и 10-15 см) концентраций СН4, после чего они снижаются, в том числе нередко и до минимальных значений (рис. 3). Последнее связывается нами с уменьшением лабильности органического вещества вниз по разрезу донных отложений.
Подобное распределение по вертикали изученных отложений характерно и для концентраций SH2S. Некоторым отличием от распределения СН4 является частая фиксация максимальных пиков концентраций SH2S в менее глубоких горизонтах отложений - в 2-5 см, а нередко и в слое 0-2 см.
Такое распределение концентраций СН4 и ЕШЗ по вертикальному профилю отложений обусловлено, с одной стороны, распределением в них окислительно-восстановительных условий, зависящих главным образом от концентрации в придонном горизонте воды растворенного кислорода и интенсивности процессов распада органических веществ в отложениях. В условиях нормальной аэрации исследованных нами водохранилищ и прудов, характеризующихся в основном отсутствием дефицита кислорода у дна, в поверхностном слое отложений, как правило, преобладают аэробные процессы, а в более глубоких горизонтах - анаэробные.
Рис. 2. Пределы изменения и средние концентрации СН4, £H2S и процентного содержания СН4 в донных отложениях исследованных водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря: 1 - Соколовское водохранилище; 2 - Грушевское водохранилище; 3 - Артемовское водохранилище; 4 - Цимлянское водохранилище; 5 - Веселовское водохранилище; 6 - Пролетарское водохранилище; 7 - пруд лотосов; 8 - пруд-отстойник шахты «Южная»; 9 - пруд-аэратор шахты «Аютинская»; 10 - водоем-охладитель Ростовской АЭС; 11 - рисовый чек / Fig. 2. Limits of change and average concentrations of CH4, £H2S and the percentage of CH4 in the sediments of the studied reservoirs and ponds of the Azov Sea basin: 1 - Sokolovskoye reservoir; 2 - Grushevskoye reservoir; 3 - Artemovskoye reservoir; 4 - Tsimlyanskoye reservoir; 5 - Veselovskoye reservoir; 6 - Proletarskoye reservoir; 7 - Lotus pond; 8 - pond-sump of the Yuzhnaya mine; 9 - pond-aerator of the Ayutinskaya mine; 10 - reservoir-cooler of the Rostov NPP; 11 - rice check
Рис. 3. Распределение концентраций СНц мкг/г (1), и £H2S, мг/г (2), а также процентного содержания CH4
(3) по вертикальному профилю донных отложений водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря: а - ст. 1, Соколовское водохранилище; б - ст. 2, Грушевское водохранилище; в - ст. 3, Артемовское водохранилище; г - ст. 4-1, пруд-отстойник шахты «Южная»; д - ст. 4-2, пруд-отстойник шахты «Южная»; е - ст. 5, пруд-аэратор шахты «Аютинская»; ж - ст. 6-1, Цимлянское водохранилище; з - ст. 6-2, Цимлянское водохранилище; и - ст. 7, водоем-охладитель Ростовской АЭС; к - ст. 8, рисовый чек; л - ст. 9-1, Веселовское водохранилище; м - ст. 9-2, Веселовское водохранилище; н - ст. 10-1, Пролетарское водохранилище; о - ст. 10-2, Пролетарское водохранилище; п - ст. 11, пруд лотосов / Fig. 3. Distribution of concentrations of CH4, |g/g (1), and 2H2S, mg/g (2), as well as the percentage of CH4 (3) along the vertical profile of bottom sediments of reservoirs and ponds of the Azov Sea basin: a - station 1, Sokolovskoye reservoir; b - station 2, Grushevskoye reservoir; c - station 3, Artemovskoye reservoir; d - station 4-1, pond-sump of the Southern mine; e - station 4-2, pond-sump of the Southern mine; f - station 5, pond-aerator of the Ayutinskaya mine; g - station 6-1, Tsimlyanskoye reservoir; h - station 6-2, Tsimlyanskoye reservoir; i - station 7, reservoir-Rostov NPP cooler;
j - station 8, rice receipt; k - station 9-1, Veselovskoye reservoir; l - station 9-2, Veselovskoye reservoir; m - station 10-1, Proletarskoye reservoir; n - station 10-2, Proletarskoye reservoir; o - station 11, Lotus Pond
С другой стороны, описанное выше распределение по вертикальному профилю отложений концентраций изучаемых газов обусловлено особой зональностью протекания биогеохимических процессов в анаэробных условиях. Так, в отложениях водных объектов выше зоны метано-образования находится слой, называемый сульфат-метановой переходной зоной, где встречаются восходящие диффузионные потоки метана и нисходящие диффузионные потоки сульфат-иона, концентрации которых в этой зоне уменьшаются [14]. Глубина проникновения сульфатов и мощность сульфат-метановой переходной зоны во многом связаны с содержанием в придонных водах сульфатов и с интенсивностью их использования в процессе сульфатредукции. Поэтому эта зона в отложениях пресных водоемов, как правило, будет ближе к поверхности и меньше по мощности по сравнению с морскими экосистемами и, вероятно, вообще отсутствовать в ультрапресных водоемах. В сульфат-метановой переходной зоне метан, диффузионно восходящий из более глубоких горизонтов отложений, окисляется консорциумом анаэробных метано-кисляющих архей и сульфатредуцирующих бактерий [24], что и обусловливает низкие концентрации метана и, наоборот, высокие концентрации сероводорода в этой зоне. Поскольку суль-фатредуцирующие бактерии имеют высокое сродство к метаногенным субстратам, например, таким как ацетат и водород, и термодинамическое преимущество перед метаногенами [15], то ме-таногенез обычно подавляется в зоне сульфатзависимого анаэробного окисления метана и активизируется в более глубоких отложениях (в исследованных водохранилищах, судя по концентрациям метана, это, как правило, горизонт 5-15 см), где лабильные вещества еще присутствуют в достаточном количестве, но большая часть сульфат-иона истощена, что ограничивает протекание процесса сульфатредукции.
Процентное содержание СН4 в сумме изученных восстановленных газов (коэффициент метани-зации Ксн4) варьирует в диапазоне 0,004-11,1 % (среднее значение - 1,26 %, медиана - 0,30 %) (таблица, рис. 2), что свидетельствует о существенном доминировании при разложении органических веществ процесса сульфатредукции над процессом метаногенеза. Наиболее высокие величины коэффициента метанизации Ксн4 наблюдаются в отложениях Соколовского, Артемов-ского, Цимлянского и Веселовского водохранилищ, где его значения в среднем составляют от 1,70 до 3,30 %, достигая в отдельных главным образом нижних горизонтах 5,03-11,1 % (рис. 3). В отложениях остальных водохранилищ и прудов содержание СН4, как правило, не превышает 1 % от суммы концентраций СН4 и SH2S.
В целом для всех исследованных водоемов в большинстве отобранных проб отложений наиболее встречаемыми диапазонами концентраций СН4 являются 0,11-1,0 (44 % отобранных проб) и 1,01-10,0 мкг/г (24 % отобранных проб), а концентраций СН4 менее 0,01 мкг/г вообще не зафиксировано (рис. 4). Для SH2S наиболее частыми (73 %) являются концентрации от 0,11 до 10,0 мг/г, с преобладанием в этом диапазоне концентраций от 0,11 до 1,0 мг/г (39 %). Для коэффициента метанизации Ксн4 большинство значений находятся в интервале от 0,01 до 10,0 %, на который приходится 88 % всех проб.
Анализ корреляционных зависимостей между исследуемыми гидрохимическими показателями в донных отложениях водохранилищ и прудов (рис. 5; зависимости построены для всего массива данных) выявил наличие достаточно тесной обратной связи значений Eh с концентрациями XH2S (r = -0,62) и менее выраженной обратной связи с концентрациями СН4 (r = -0,16). Наличие отрицательных зависимостей между концентрациями восстановленных газов и значениями Eh в отложениях обусловлено тем, что распад органических и неорганических веществ приводит к поглощению кислорода. Последнее способствует снижению окислительно-восстановительного потенциала, что активизирует анаэробные процессы в донных отложениях, в том числе метано-генез и сульфатредукцию [6].
Анализ корреляционной связи коэффициента метанизации Ксн4 с концентрациями СН4 и XH2S, величинами рН и Eh в отложениях показывает наличие относительно тесной прямой зависимости его значений с концентрациями СН4 (r = 0,53) и обратной зависимости с концентрациями XH2S (r = -0,56). В то же время четких корреляционных связей между значениями Ксн4 и величинами рН и Eh в отложениях не просматривается.
Между концентрациями СН4 и XH2S для всего массива данных проявляется не очень высокая, но достоверная прямая связь (r = 0,41, P <0,01), что указывает на синхронность процессов генерации этих газов в отдельных горизонтах донных отложений. Это согласуется с нашими исследованиями, проведенными в устьевых областях рек Дон [13] и Северная Двина [17], а
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
также в Рыбинском водохранилище [11]. Синхронное продуцирование СН4 и H2S объясняется возможным течением реакции метаногенеза по пути как ферментации ацетата, так и восстановления диоксида углерода молекулярным водородом. Наличие в больших количествах последнего обусловлено распадом лабильного органического вещества в местах его свала на участках загрязнения водных экосистем хозяйственно-бытовыми стоками, что нивелирует конкуренцию между метаногенами и сульфатвосстанавливающими бактериями за обладание молекулярным водородом. Синхронное образование СН4 и H2S может быть связано также с развитием на загрязненных участках альтернативных процессов их генерации [17]. Это прежде всего образование H2S гнилостными бактериями и бактериями, участвующими в гидролизе древесины, поступающей различными путями в водотоки и водоемы. В местах поступления загрязненных фекалиями стоков и стоков с сельскохозяйственных полей, где применяются органические удобрения, возможен привнос сульфитредуцирующих клостридий, способных также генерировать H2S [28]. При этом образование СН4 на таких участках может протекать и по реакции восстановления метилированных аминов, не являющихся питательными субстратами для сульфатредукторов [28].
Рис. 4. Частота встречаемости, %, концентраций СН4, мкг/г, и £H2S, мг/г, а также процентное содержание СН4 в донных отложениях исследованных водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря / Fig. 4. Frequency of occurrence, %, of CH4 concentrations, |g/g, and XH2S, mg/g, as well as the percentage of CH4 in the sediments of the studied reservoirs and ponds of the Azov Sea basin
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
Рис. 5. Зависимость между исследуемыми гидрохимическими показателями в донных отложениях исследованных водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря / Fig. 5. Dependencies between the studied biochemical parameters in the bottom sediments of the studied reservoirs and ponds of the Azov Sea basin
Выводы
1. Донные отложения исследованных водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря представлены преимущественно темно-серыми и черными илисто-песчаными отложениями, для которых характерны нейтральная или слабощелочная среда (рН - от 6,47 до 8,17) и восстановительные условия (Eh - от -315,0 до -50,0 мВ), за исключением затопленных почв рисовых чеков, а также отложений пруда-аэратора шахты «Аютинская», в которых наблюдаются окислительные условия (Eh - от +6,4 до +204,0 мВ).
2. В тонкозернистых отложениях (илах) водохранилищ и прудов идет активный процесс образования Ш4 и ХН2$. В целом концентрации СН4 и ЕШЗ в донных отложениях изменяются в пределах от 0,02 до 61,3 мкг/г влажного осадка (среднее значение - 5,26 мкг/г, медиана -0,50 мкг/г) и от <0,01 до 8,36 мг/г влажного осадка (среднее значение - 1,28 мг/г, медиана -0,49 мг/г) соответственно. Таким образом, диапазон колебания концентраций изученных восстановленных газов составляет 3-4 порядка. Наиболее высокие концентрации СН4 наблюдаются в отложениях Артемовского, Цимлянского и Веселовского водохранилищ, а - в отложениях Пролетарского, Цимлянского и Грушевского водохранилищ. Самые низкие концентрации СН4 и ХШЗ зафиксированы в затопленных почвах рисовых чеков и отложениях пруда-аэратора шахты «Аютинская», характеризующихся окислительными условиями.
3. Распределение СН4 и ЕШЗ по вертикальному профилю изученных отложений отличается, как правило, увеличением концентраций от поверхностного слоя к подповерхностным горизонтам, в которых фиксируется их максимальный пик, после чего концентрации данных газов снижаются, нередко до минимальных значений. Отличием распределения ЕШЗ от распределения СН4 является более частая фиксация максимальных концентраций ЕШЗ в менее глубоких горизонтах отложений - в 2-5 см, а нередко и в слое 0-2 см.
4. Содержание СН4 в сумме изученных восстановленных газов (коэффициент метанизации Ксн4) в отложениях исследованных водохранилищ и прудов варьирует в диапазоне 0,004-11,1 % (среднее значение - 1,26 %, медиана - 0,30 %), что свидетельствует о существенном доминировании процесса сульфатредукции над процессом метаногенеза. При этом в Соколовском, Арте-мовском, Цимлянском и Веселовском водохранилищах доля проб отложений с процентным содержанием метана более 1 % от суммы концентраций СН4 и SH2S повышается, достигая в отдельных, как правило, нижних горизонтах 5,03-11,1 %. В отложениях остальных водохранилищ и прудов содержание СН4 в отложениях, как правило, не превышает 1 % от суммы концентраций СН4 и SH2S.
5. В донных отложениях водохранилищ и прудов установлено наличие достаточно тесной обратной связи значений Eh с концентрациями XH2S (r = -0,62) и менее выраженной обратной связи с концентрациями СН4 (r = -0,16). Выявлена относительно тесная прямая зависимость коэффициента метанизации Ксн4 с концентрациями СН4 (r = 0,53) и обратная зависимость с концентрациями XH2S (r = -0,56). Между концентрациями СН4 и XH2S для всего массива данных проявляется не очень высокая, но достоверная прямая связь (r = 0,41, P <0,01), что указывает на сопряженные процессы генерации этих газов в отдельных горизонтах донных отложений.
Список источников
1. Волков И.И. Геохимия серы в осадках океана. М.: Наука, 1984. 272 с.
2. Кузнецов С.И., Саралов A.E., Назина Т.Н. Микробиологические процессы круговорота углерода и азота в озерах. М.: Наука, 1985. 213 с.
3. ФедоровЮ.А., Сухорукое В.В., ТрубникР.Г. Аналитический обзор: эмиссия и поглощение парниковых газов почвами. Экологические проблемы // Антропогенная трансформация природной среды. 2021. Т. 7, № 1. С. 6-35.
4. ConradR. The global methane cycle: recent advances in understanding the microbial processes involved // Environ. Microbiol. 2009. Rep. 1. Р. 285-292.
5. Ciais P., Sabine C., Bala G., Bopp L., Brovkin V., Canadell J. [et al.]. Carbon and other biogeochemical cycles // Proceedings of the Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, MA: Cambridge University Press, 2013. Р. 465-570.
6. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах. Ростов н/Д.; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2021. 366 с.
7. Reeburgh W.S. Oceanic methane biogeochemistry // Chem. Rev. 2007. Vol. 107. Р. 486-513.
8. Kirschke S., Bousquet P., Ciais P., Saunois M., Canadell J.G., Dlugokencky E.J. [et al.]. Three decades of global methane sources and sinks // Nat. Geosci. 2013. Vol. 6. Р. 813-823.
9. Намсараев Б.Б., Самаркин В.А., Нельсон К., Кламп В., Бухгольц Л., Ремсен К., Майер Ч. Микробиологические процессы круговорота углерода и серы в донных осадках озера Мичиган // Микробиология. 1994. Т. 63, № 4. С. 730-839.
10. J0rgensen B., Findlay A.J., Pellerin A. The Biogeochemical Sulfur Cycle of Marine Sediments // Front Microbiol. 2019. Vol. 10. Article 849.
11. Федоров Ю.А., Тамбиева Н. С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В. О. Метан в водных экосистемах. Ростов н/Д.; М.: Ростиздат, 2007. 330 с.
12. Леин А.Ю., Иванов М.В. Биогеохимический цикл метана в океане. М.: Наука, 2009. 576 с.
13. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан в устьевой области реки Дон. Ростов н/Д.; М.: Ростиздат, 2010. 181 с.
14. Wallenius A.J., Martins P.D., Slomp C.P., Jetten M.S.M. Anthropogenic and Environmental Constraints on the Microbial Methane Cycle in Coastal Sediments // Front. Microbiol. 2021. Vol. 12. Article 631621.
15. Schönheit P., Kristjansson J.K., Thauer R.K. Kinetic mechanism for the ability of sulfate reducers to outcompete methanogens for acetate // Arch. Microbiol. 1982. Vol. 132. Р. 285-288.
16. Галимов Э.М. Метанообразование в морских осадках в зоне сульфатредукции // Докл. РАН. 1995. Т. 342, № 2. С. 219-221.
17. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан в воде и донных отложениях устьевой области Северной Двины в зимний период // Океанология. 2014. Т. 54, № 2. С. 178-188.
18. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Андреев Ю.А., Тамбиева Н.С., Михайленко О.А. Метан и сульфидная сера в донных отложениях озера Байкал // Геохимия. 2019. Т. 64, № 4. С. 427-439.
19. Пименов Н.В., Саввичев А.С., Русанов И.И., Леин А.Ю., Иванов М.В. Микробиологические процессы цикла углерода и серы на холодных метановых сипах Северной Атлантики // Микробиология. 2000. Т. 69, № 6. С. 831-843.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2022. No. 3
20. Дзюбан А.Н., Кузнецова И.А., Пименов Н.В. Микробиологические процессы деструкции органического вещества в донных осадках Балтийского моря // Океанология. 2001. Т. 41, № 2. С. 217-223.
21. Иванов М.В., Русанов И.И., Пименов Н.В., Байрамов И.Т., Юсупов С.К., Саввичев А.С., Леин А.Ю., Сапожников В.В. Микробные процессы цикла углерода и серы в озере Могильном // Микробиология. 2001. Т. 70, № 5. С. 675-686.
22. Саввичев А.С., Русанов И.И., Захарова Е.Е., Веслополова Е.Ф., Мицкевич И.Н., Кравчишина М.Д., Леин А.Ю., Иванов М.В. Микробные процессы циклов углерода и серы в Белом море // Микробиология. 2008. Т. 77, № 6. С. 823-838.
23. ФедоровЮ.А., Гарькуша Д.Н., Доценко И.В., АфанасьевК.А. Метан и сероводород в лечебных сульфидных грязях (на примере озера Большой Тамбукан) // Изв. вузов. Сев. Кавк. регион. Естеств. науки. 2014. № 3. С. 102-109.
24. Knittel K., Wegener G., Boetius A. Anaerobic methane oxidizers // Microbial Communities Utilizing Hydrocarbons and Lipids: Members, Metagenomics and Ecophysiology. Ed. T.J. McGenity. Cham: Springer, 2018. Р. 1-21.
25. Дзюбан А.Н. Метаногенез и деструкция органического вещества в донных осадках техногенных водных объектов // Водные ресурсы. 2014. Т. 41, № 3. С. 330-338.
26. Авакян А.Б., Салтанкин В.П., Шарапов В.А. Водохранилища (Природа мира). М.: Мысль, 1987. 325 с.
27. Лурье П.М., Панов В.Д. Реки бассейна Азовского моря: гидрография и режим стока. Ростов н/Д.: Донской издательский дом, 2021. 670 с.
28. Fedorov Y.A., Gar'kusha D.N., TrubnikR.G., Morozova M.A. Sulfite-Reducing Clostridia and their Participation in Methane and Hydrogen Sulfide Formation in the Bottom Sediments of Water Objects and Streams of the ETR South // Water Resources. 2019. Vol. 46, No. 1. P. S85-S93.
References
1. Volkov I.I. Geochemistry of sulfur in ocean sediments. Moscow: Nauka Publ.; 1984. 272 p. (In Russ.).
2. Kuznetsov S.I., Saralov A.E., Nazina E.N. Microbiological processes of carbon and nitrogen circulation in lakes. Moscow: Nauka Publ.; 1985. 213 p. (In Russ.).
3. Fedorov Yu.A., Sukhorukov V.V., Trubnik R.G. Analytical review: emission and absorption of greenhouse gases by soils. Ecological problems. Antropogennaya transformatsiyaprirodnoi sredy = Anthropogenic Transformation of Environment. 2021;7(1):6-35. (In Russ.).
4. Conrad R. The global methane cycle: recent advances in understanding the microbial processes involved. Environ. Microbiol. 2009;(1):285-292.
5. Ciais P., Sabine C., Bala G., Bopp L., Brovkin V., Canadell J., et al. Carbon and other biogeochemical cycles. Proceedings pf the Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, MA: Cambridge University Press; 2013:465-570.
6. Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A. Factors of formation of methane concentrations in aquatic ecosystems. Rostov-on-Don; Taganrog: Southern Federal University Press; 2021. 366 p. (In Russ.).
7. Reeburgh W.S. Oceanic methane biogeochemistry. Chem. Rev. 2007;107:486-513.
8. Kirschke S., Bousquet P., Ciais P., Saunois M., Canadell J.G., Dlugokencky E.J., et al. Three decades of global methane sources and sinks. Nat. Geosci. 2013;6:813-823.
9. Namsaraev B.B., Samarkin V.A., Nelson K., Klamp V., Buchholz L., Remsen K., Mayer Ch. Microbiological processes of carbon and sulfur cycling in bottom sediments of Lake Michigan. Mikrobiologiya = Microbiology. 1994;63(4):730-839. (In Russ.).
10. J0rgensen B., Findlay A.J., Pellerin A. The Biogeochemical Sulfur Cycle of Marine Sediments. Front. Microbiol. 2019;10:849.
11. Fedorov Yu.A., Tambieva N.S., Gar'kusha D.N., Khoroshevskaya V.O. Methane in aquatic ecosystems. 2nd ed., reprint. and add. Rostov-on-Don; Moscow: Rostizdat Publ.; 2007. 330 p. (In Russ.).
12. Lein A.Yu., Ivanov M.V. Biogeochemical cycle of methane in the ocean. Moscow: Nauka Publ.; 2009. 576 p. (In Russ.).
13. Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A. Methane in the estuary region of the Don River. Rostov-on-Don; Moscow: Rostizdat Publ.; 2010. 181 p. (In Russ.).
14. Wallenius A.J., Martins P.D., Slomp C.P., Jetten M.S.M. Anthropogenic and Environmental Constraints on the Microbial Methane Cycle in Coastal Sediments. Front. Microbiol. 2021;12:631621.
15. Schönheit P., Kristjansson J.K., Thauer R.K. Kinetic mechanism for the ability of sulfate reducers to out -compete methanogens for acetate. Arch. Microbiol. 1982;132:285-288.
16. Galimov E.M. Methane formation in marine sediments in the sulfate reduction zone. Doklady Rossiiskoi akademii nauk = Reports of the Russian Academy of Sciences. 1995;342(2):219-221. (In Russ.).
17. Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A. Methane in water and bottom sediments of the estuary region of the Northern Dvina in winter. Okeanologiya = Oceanology. 2014;54(2):178-188. (In Russ.).
18. Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A., Andreev Yu.A., Tambieva N.S., Mikhailenko O.A. Methane and sulfide sulfur in bottom sediments of Lake Baikal. Geohimiya = Geochemistry. 2019;64(4):427-439. (In Russ.).
19. Pimenov N.V., Savvichev A.S., Rusanov I.I., Lein A.Yu., Ivanov M.V. Microbiological processes of the carbon and sulfur cycle on cold methane sips of the North Atlantic. Mikrobiologiya = Microbiology. 2000;69(6):831-843. (In Russ.).
20. Dzyuban A.N., Kuznetsova I.A., Pimenov N.V. Microbiological processes of organic matter destruction in bottom sediments of the Baltic Sea. Okeanologiya = Oceanology. 2001;41(2):217-223. (In Russ.).
21. Ivanov M.V., Rusanov I.I., Pimenov N.V., Bayramov I.T., Yusupov S.K., Savvichev A.S., Lein A.Yu., Sapozhnikov V.V. Microbial processes of the carbon and sulfur cycle in Lake Mogilny. Mikrobiologiya = Microbiology. 2001;70(5):675-686. (In Russ.).
22. Savvichev A.S., Rusanov I.I., Zakharova E.E., Veslopolova E.F., Mickiewicz I.N., Kravchishina M.D., Lein A.Yu., Ivanov M.V. Microbial processes of carbon and sulfur cycles in the White Sea. Mikrobiologiya = Microbiology. 2008;77(6):823-838. (In Russ.).
23. Fedorov Yu.A., Gar'kusha D.N., Dotsenko I.V., Afanasyev K.A. Methane and hydrogen sulfide in therapeutic sulfide mud (on the example of Lake Bolshoy Tambukan). Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskii region. Estestvennye nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2014;(3):102-109. (In Russ.).
24. Knittel K., Wegener G., Boetius A. Anaerobic methane oxidizers. Microbial Communities Utilizing Hydrocarbons and Lipids: Members, Metagenomics and Ecophysiology. T.J. McGenity, ed. Cham: Springer Press; 2018:1-21.
25. Dzyuban A.N. Methanogenesis and destruction of organic matter in bottom sediments of technogenic water bodies. Vodnye resursy = Water Resources. 2014;41(3):330-338. (In Russ.).
26. Avakyan A.B., Saltankin V.P., Sharapov V.A. Reservoirs (Nature of the world). Moscow: Mysl' Publ.; 1987. 325 p. (In Russ.).
27. Lurie P.M., Panov V.D. Rivers of the Azov Sea basin: Hydrography and flow regime. Rostov-on-Don: Don Publishing House; 2021. 670 p. (In Russ.).
28. Fedorov Yu.A., Gar'kusha D.N., Trubnik R.G., Morozova M.A. Sulfite-Reducing Clostridia and their Participation in Methane and Hydrogen Sulfide Formation in the Bottom Sediments of Water Objects and Streams of the ETR South. Water Resources. 2019;46(1):S85-S93.
Информация об авторах
Д.Н. Гарькуша - кандидат географических наук, доцент, Институт наук о Земле.
Ю.А. Федоров - доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой физической географии, экологии и охраны природы, Институт наук о Земле.
Information about the authors
D.N. Garkusha - Candidate of Science (Geography), Associate Professor, Institute of Earth Sciences.
Yu.A. Fedorov - Doctor of Science (Geography), Professor, Head of Departament of Physical Geography, Ecology
and Environment Protection, Institute of Earth Sciences.
Статья поступила в редакцию 04.05.2022; одобрена после рецензирования 16.05.2022; принята к публикации 30.08.2022. The article was submitted 04.05.2022; approved after reviewing 16.05.2022; accepted for publication 30.08.2022.
