CC BY
53
УДК 556.555.8(574.524)
МЕТАН КАК ИНДИКАТОР УСЛОВИЙ РАННЕГО ДИАГЕНЕЗА И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ*
© 2013 г. Д.Н. Гарькуша, Ю.А. Фёдоров, Н.С. Тамбиева
Гарькуша Дмитрий Николаевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Гидрохимический институт; старший преподаватель, кафедра физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: [email protected].
Федоров Юрий Александрович - доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой физической географии, экологии и охраны природы, геолого-географический факультет, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, е-mail: fedorov@sfedu. ru.
Тамбиева Наталья Сергеевна - старший научный сотрудник, Гидрохимический институт, пр. Стачки, 198, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: [email protected].
Garkusha Dmitry Nikolaevich - Candidate of Geographical Science, Senior Scientific Researcher, Hydrochemical Institute; Senior Lecturer, Department of Physical Geography, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, email: gardim1@yandex. ru.
Fedorov Yury Aleksandrovich - Doctor of Geographical Science, Professor, Head of Department of Physical Geography, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected].
Tambieva Natalia Sergeevna - Senior Scientific Researcher, Hydrochemical Institute, Stachki St., 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e -mail: [email protected].
Уровень содержания и распределение метана в верхнем слое донных отложений (до 10 см) устьевой области реки Дон характеризуют окислительно-восстановительные условия, интенсивность процессов анаэробного разложения органических веществ, их количество и качество., C учетом ранее выявленных связей содержания метана с элементами гидрохимического режима это позволило разработать блок-схему, применение которой позволяет охарактеризовать особенности седиментации и раннего диагенеза осадков, а также экологическое состояние водной экосистемы.
Ключевые слова: газовый режим, метан, донные отложения, ранний диагенез, аквальные ландшафты, экологическое состояние.
The level of maintenance and distribution of methane in the upper layer of the bottom sediments (up to 10 cm) estuary of the Don river characterize redox conditions, the intensity of the processes of anaerobic decomposition of organic substances, their quality and quantity. This, taking into account the previously identified relations methane content with elements of hydrochemical regime, has allowed to develop a flowchart, the application of which allows to characterize the peculiarities of sedimentation and early diagenesis ofprecipitation, as well as the ecological substance of aquatic ecosystems.
Keywords: gas mode, methane, bottom sediments, early diagenesis, aquatic landscapes, ecological substance.
Газовый режим является важным показателем экологического состояния водных экосистем. Метан -один из основных компонентов газового состава вод, образуется биохимическим путем при деградации органического вещества сообществом метанобра-зующих бактерий. Впервые о значимости метана как возможного индикатора антропогенного загрязнения и экологического состояния водных экосистем было высказано в работах [1-3]. По мере накопления и систематизации данных по содержанию метана в разнообразных водоемах и водотоках суши [3-9 и др.] стало возможным обосновать его связь с антропогенным загрязнением, а также интенсивностью и направленностью продукционно -деструкционных процессов в пресноводных объектах и разработать классификацию -
шкалу, позволяющую оценивать степень их загрязненности органическими веществами и трофии. Помимо этого, была показана возможность использования метана в качестве предиктора наступающего коллапса рыборазводных прудов и гибели рыб [9]. Дальнейшими исследованиями установлено [10, 11], что содержание метана вкупе с содержанием сероводорода, величинами рН и БИ может служить комплексным индикатором биогеохимической обстановки, миграционной активности и токсичности тяжелых металлов в системе «вода - донные отложения».
Устьевая область р. Дон является одной из наиболее изученных авторами акваторий [4, 9]. Здесь, начиная с 1995 г. по настоящее время, практически ежегодно проводятся экспедиционные исследования, направлен-
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 12-05-00420, НШ-5658.2012.5, г/к № 14.А18.21.0641.
ные на изучение особенностей формирования уровня содержания и распределения метана в воде и донных отложениях. Обобщение и анализ данных многолетних исследований показали [4], что характер распределения и уровень содержания метана в верхнем (до 10 см) слое осадков устьевой области р. Дон в пространстве и во времени контролируются в первую очередь количеством органических веществ, их лабильностью и содержанием растворенного кислорода у дна и в совокупности отражают направление окислительно-восстановительных процессов и скорость деструкции органических веществ. В связи с этим на примере устьевой области р. Дон разработана блок-схема, применение которой позволяет охарактеризовать особенности седиментации и раннего диагенеза осадков на тех или иных
•МЛ •»А
•51*
•S0A
•«А
•«Л >
При проведении экспедиционных исследований отбор проб в основном производился по сети Росгидромета в летне-осенний период. Большей частью исследования выполнены на научно-исследовательских судах Донской устьевой станции (г. Азов). Экспедиционные работы заключались в отборе проб донных отложений и воды (поверхностный и придонный слой) с измерением на каждой станции глубины, температуры, рН, минерализации (солености) и содержания растворенного кислорода, а также в отдельные
участках, а также газового режима - как одного из важнейших показателей экологического благополучия водной экосистемы.
Материалы и методы исследования
Район исследования охватывает низовье Дона от г. Константиновска до впадения в Таганрогский залив зовского моря и собственно Таганрогский залив (рис. 1). В этих границах он незначительно выходит за пределы современной устьевой области р. Дон, включающей в себя придельтовый участок (от ст. Раздорской до вершины дельты), дельту и устьевое взморье (Таганрогский залив) [4]. Кроме собственно р. Дон и залива, опробованы отложения малых рек района исследования, а также отложения восточного района Азовского моря
годы величин ХПК и БПК5 [4, 9]. Содержание метана в отложениях измеряли в поверхностном 0-5 см слое и далее, если было возможно, через каждые 5-10 см отобранного керна до глубины 0,5 м от поверхности дна (максимум - до 1,0 м) [4]. В отложениях, помимо метана, определены содержания Сорг и величины БИ.
Отбор, транспортировка, хранение проб и последующие химические анализы были проведены сотрудниками Гидрохимического института и Донской устьевой станции по общепринятым в системе Росги-
Рис. 1. Схема расположения станций наблюдения в нижнем течении р. Дон и Азовском море
дромета стандартным методикам [12]. Газохромато-графическое определение метана выполнено в лаборатории Гидрохимического института методом фазо-во-равновесной дегазации на хроматографе «Цвет-100» с пламенно-ионизационным детектором и устройством для парофазного анализа с пневматическим способом дозирования [9, 12].
При обобщении данных использованы результаты анализов свыше 1000 проб донных осадков для определения содержания метана, около 200 проб -для определения Сорг и величин БИ, свыше 1000 проб воды - на метан и другие гидрохимические показатели качества воды (О2, ХПК и БПК5). Помимо собственных материалов, привлечены также данные [13] по гидрологии и геохимии донных осадков района исследования.
Результаты и их обсуждение
На блок-схеме (рис. 2) условно выделено семь блоков, соответствующих семи типам распределения метана, отличных по величине и соотношению его концентраций в поверхностном (0-5 см) и подповерхностном (5-10 см) слоях донных осадков. Данная блок-схема опирается на ранее разработанную шкалу для оценки уровня загрязненности органическими веществами водных объектов по содержанию метана [9], согласно которой участки с концентрациями метана в отложениях, составляющими менее 0,5 мкг/г влажного осадка, характеризуются как условно чистые, с концентрациями более 8,0 мкг/г - как сильно загрязненные. Участки с промежуточными значениями (0,5-8,0 мкг/г) классифицируются как загрязненные.
8,0
0,5
VI VII
IV V
III
0,5
8,0
5 - 1 0 см
Рис. 2. Блок-схема типов распределения содержания метана, мкг/г влажного осадка, в 0 - 10 см слое донных отложений устьевой области р. Дон
Далее приведено описание особенностей седиментации и осадкообразования для каждого выделенного типа распределения метана с конкретными примерами участков устьевой области р. Дон, для которых эти типы характерны.
Первый (I) блок характеризуется незначительным содержанием метана (до 0,5 мкг/г влажного осадка)
как в поверхностном, так и подповерхностном горизонтах, с несколько более высокими значениями в поверхностном слое отложений. Данное распределение концентраций метана характерно для участков с очень низкими скоростями осадконакопления, вследствие чего осаждающееся органическое вещество практически полностью минерализуется в поверхностном горизонте осадков [4, 9]. В частности, такая картина распределения метана зафиксирована на относительно чистых участках рек Б. Крепкая, Тузлов, Темерник с повышенными концентрациями кислорода у дна и высоким окислительно-восстановительным потенциалом (Eh) донных осадков.
Второй (II) блок характеризуется незначительным содержанием метана (до 0,5 мкг/г) в обоих горизонтах, однако с несколько более высокими его концентрациями в подповерхностном слое (5-10 см) осадков. Анализ данных показывает, что подобное распределение содержания метана довольно часто фиксируется как в р. Дон, так и в Таганрогском заливе на участках, характеризующихся достаточно высокими концентрациями кислорода в придонном слое воды, удаленных от зон мощного антропогенного загрязнения и активного осаждения терригенного и органического материала.
Третий (III) блок характеризуется незначительной (до 0,5 мкг/г) концентрацией метана в поверхностном горизонте осадков и высокими его содержаниями (>0,5 мкг/г) в подповерхностном горизонте. Такое распределение содержания метана в большей мере характерно для Таганрогского залива, чем для р. Дон, и фиксируется на участках с достаточно интенсивным поступлением в осадки органического материала, в том числе и антропогенно загрязненных участках, при высоких концентрациях кислорода у дна (>7,0-8,0 мг/л) и положительных значениях Eh поверхностного горизонта донных отложений. В частности, именно такая картина распределения содержаний метана наиболее часто проявляется в Таганрогском заливе на участках, расположенных в основании наклонной части дельты Дона и берегового склона залива, где крутой участок сменяется на пологий и происходит активное осаждение седиментационного материала [4, 13]. В тех случаях, когда Eh поверхностного слоя отложений снижается до значений, благоприятных для развития облигатных анаэробов, концентрация метана в поверхностном горизонте осадков резко возрастает. Подобная картина распределения содержания метана может свидетельствовать об уменьшении поступления органических веществ в период формирования поверхностного (0-5 см) горизонта.
Четвертый (IV) блок характеризуется в целом высокими концентрациями метана в поверхностном слое (0,5-8,0 мкг/г) и незначительными (<0,5 мкг/г) в подповерхностном. Данный характер распределения фиксируются на участках с низкими темпами осадкона-копления, но в последнее время испытывающих сильное антропогенное воздействие, вследствие чего происходит резкое повышение концентрации метана в поверхностном горизонте осадков. Это характерно для участков рек Б. Крепкая, Тузлов, в меньшей степени р. Аксай, расположенных в зоне влияния антропогенных источников.
Пятый (V) блок характеризуется высокими концентрациями метана в поверхностном горизонте донных отложений (0,5-8,0 мкг/г) и от высоких до аномально высоких (>8,0 мкг/г) концентраций - в подповерхностном. Такой характер распределения фиксируется на участках, где происходит активное накопление в отложениях органических веществ как природного, так и антропогенного происхождения с низкими концентрациями кислорода в придонном слое воды (но не ниже 6,0-5,0 мг/л) и низкими величинами Eh в обоих горизонтах осадков. Подобное распределение метана в наибольшей степени характерно для устьев малых рек, низовья нижнего течения р. Дон (от г. Аксай до морского края дельты) и участков Таганрогского залива (порты Таганрога, Ейска, Мариуполя, восточный район залива), подверженных сильному антропогенному воздействию.
Шестой (VI) блок характеризуется аномально высокими содержаниями метана (>8,0 мкг/г) в поверхностном слое и от незначительных (<0,5 мкг/г) до высоких содержаний метана (0,5-8,0 мкг/г) - в подповерхностном. В целом характер распределения содержания метана аналогичен его распределению в четвертом и пятом блоках с той лишь разницей, что здесь его концентрации в поверхностном слое более существенно превышают таковые в подповерхностном горизонте. Свидетельствует о серьезном ухудшении экологической ситуации в последнее время в результате поступления большого количества лабильного органического вещества, снижения БЬ отложений и содержания растворенного кислорода у дна до критического для водных объектов уровня. Подобная картина распределения метана фиксировалась в донных отложениях рек Темерник (устье) и Эльбузд, отдельных участков р. Дон (район впадения р. Темерник), Таганрогского залива (восточный район), т.е. участков, в отложения которых поступает в большом количестве лабильное органическое вещество [4, 9, 13]. Данный характер распределения наблюдался лишь в периоды, когда концентрация кислорода у дна составляла менее 6,0 мг/л.
Седьмой (VII) блок характеризуется аномально высокими содержаниями метана (>8,0 мкг/г) в обоих горизонтах донных осадков. Это свидетельствует об интенсивно протекающих процессах метанообразования, что говорит о большом количестве лабильных органических соединений, низком БЬ отложений и пониженных содержаниях кислорода у дна. Такое распределение метана характерно для участков, испытывающих мощное хроническое антропогенное загрязнение органическими веществами (р. Темерник - ниже Ростовского зоопарка, р. Дон - ниже впадения р. Темерник).
Исходя из вышеизложенного, участками с благоприятной экологической обстановкой по газовому режиму являются те, для отложений которых характерны типы распределения содержания метана, относящиеся к блокам 1-111, участками с удовлетворительной экологической обстановкой - IV-V и к участкам с неблагоприятной экологической обстановкой - к блокам \1-т
Представленная блок-схема (см. рис. 2) хорошо согласуется с классификацией аквальных элементарных ландшафтов устьевой области р. Дон [10, 11], для
выделения которых, помимо данных по содержанию метана, величинам рН и БЬ, привлекались сведения по литологии, концентрациям суммарного сероводорода, ртути и меди в поверхностном слое отложений и придонном слое воды. В результате были выделены природные, природно-антропогенные, антропогенные, в том числе техногенные (строительный и промышленный мусор, не содержащий органические отходы жизнедеятельности) типы элементарных ландшафтов, в которых впервые показаны и количественно охарактеризованы следующие обстановки: кислородная, глеевая, сероводородная, кислородно-глеевая и глее-во-сероводородная. Подчеркнем, что это стало возможным благодаря многолетним фундаментальным и экспериментальным исследованиям, результаты которых были впервые приведены в работах [2, 3].
В соответствии с полученными результатами [10, 11] в донных отложениях аквального антропогенного элементарного ландшафта, для которого характерны высокие концентрации как метана, так и сероводорода, происходит сопряженная генерация обоих газов вследствие активно протекающих процессов метано-генеза, сульфатредукции и гнилостного распада органического вещества. При этом, вероятно, в пресноводных экосистемах доминирующий вклад в образование сероводорода вносит последний процесс. Сопряженная генерация метана и сероводорода, как правило, наблюдается на участках, донные отложения которых подвержены мощному загрязнению продуктами хозяйственной деятельности человека.
В донных осадках морских водоемов (в частности, Черное и Азовское моря), соленых и солоноватых сульфидных грязевых озерах, лиманах (озера Большой Тамбукан, Сладкое, Соленое, Ханское, Бейсуг-ский лиман и др.) могут создаваться условия, при которых образование сероводорода будет превалировать над метаногенезом. С точки зрения бальнеологии природные сульфидные отложения (грязи) озер и лиманов являются лечебными, однако эти природные сероводородные ландшафты чрезвычайно опасны для существования гидробионтов и особенно бентоса. Аквальные природные, природно-антропогенные и антропогенные элементарные ландшафты с преимущественно глеевой обстановкой и высокими концентрациями метана являются также неблагоприятными для функционирования большинства водных и донных организмов.
В заключение отметим, что выделенные для устьевой области р. Дон типы аквальных элементарных ландшафтов [10, 11] сопоставимы со следующими блоками, описанными в настоящей статье: НП -природные, реже природно-антропогенные ландшафты с кислородной, кислородно-глеевой обстановкой и благоприятным экологическим состоянием; IV-V - природные и природно-антропогенные ландшафты с глеевой, реже глеево-сероводородной обстановкой и удовлетворительным экологическим состоянием; УИ-УП - в основном антропогенные ландшафты с сероводородной, глеево-сероводород-ной и глеевой обстановкой и неблагоприятным экологическим состоянием.
Таким образом, уровень содержания метана не только служит индикатором условий раннего диагенеза
осадков, но и в комплексе с другими гидрохимическими показателями является важным критерием экологического благополучия аквальных ландшафтов.
Литература
1. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С. Использование показателя «метан» при оценке экологического состояния морских и пресноводных экосистем // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды : межвуз. сб. науч. тр. Ростов н/Д, 1997. С. 17 - 18.
2. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О. Метан в воде и донных отложениях Рыбинского водохранилища: распределение и биогеохимические особенности образования. Деп. в ВИНИТИ РАН 02.06.99. № 1756-В-99. Ростов н/Д, 1999. 82 с.
3. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О., Кизицкий РМ. Теоретические аспекты связи метаногенеза с загрязнением воды и донных отложений веществами неорганической и органической природы // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2000. № 4. С. 68 - 73.
4. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан в устьевой области реки Дон. Ростов н/Д; М., 2010. 181 с.
5. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Хромов М.И. Метан в воде и донных отложениях устьевой области Северной Двины (Белое море) // Океанология. 2010. Т. 50, № 4. С. 534 - 547.
6. Федоров Ю.А., Никаноров А.М., Тамбиева Н.С. Первые данные о распределении содержания биогенного метана
в воде и донных отложениях оз. Байкал // Докл. РАН. 1997. Т. 353, № 3. С. 394 - 397.
7. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. Влияние природных и антропогенных факторов и процессов на распределение концентрации метана в воде и донных отложениях Ладожского озера // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2006. № 5. С. 412 - 424.
8. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. Метан как показатель экологического состояния пресноводных водоемов (на примере озер Валдай и Ужин) // Метеорология и гидрология. 2004. № 6. С. 88 - 96.
9. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О. Метан в водных экосистемах. Ростов н/Д; М., 2005. 329 с.
10. Доценко И.В., Федоров Ю.А., Минкина Т.М., Зимо-вец А.А., Овсепян А.Э., Михайленко А.В. Характеристика аквальных ландшафтов и массоперенос тяжелых металлов на границе раздела сред в устьевых областях рек // Вода и водные ресурсы: Системообразующие функции в природе и экономике : сб. науч. тр. Всерос. науч. конф. Новочеркасск, 2012. С. 202 - 206.
11. Федоров Ю.А., Михайленко А.В., Доценко И.В. Биогеохимические условия и их роль в массопереносе тяжелых металлов в аквальных ландшафтах // Докл. Всерос. науч. конф. М., 2012. С. 332 - 334.
12. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Ч. 1 / под ред. Л.В. Боевой. Ростов н/Д, 2009. 1044 с.
13. Хрусталев Ю.П. Основные проблемы геохимии се-диментогенеза в Азовском море. Апатиты, 1999. 247 с.
Поступила в редакцию_26 августа 2013 г.
