CC BY
82
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 621.382
М.В. Глаголев
МЕТАНОГЕНЕЗ БОЛОТ (РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ)
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
В настоящее время становится очевидным, что одним из главных факторов потепления климата на Земле является увеличивающаяся концентрация парниковых газов в атмосфере. Большой вклад вносят болотные экосистемы, порядка 20 % от суммарного потока метана в атмосферу. Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992) обязывает каждую страну составить свой баланс источников и стоков парниковых газов [1; 2]. В связи с этим с 90-х гг. начались широкие исследования по эмиссии и потреблению парниковых газов в различных регионах России. Кратко остановимся на отдельных результатах приведенной работы.
Новые виды метаногенов и метанотрофов
Стали известны ацидофильные виды метаногенов и метанотрофов. Ранее [2; 3] указывалось, что все представители группы метаногенов - нейтро-филы с оптимальным рН в области 6.5-7.5, не обладающие способностью к росту при значениях рН ниже 4.5. В то время как хорошо известна микробиологическая природа метана, образующегося в широко распространенных верховых болотах, кислотность которых изменяется в пределах pH 2.94.1 [4]. Почти аналогичная ситуация складывалась и в отношении метанпотребляющих микроорганизмов.
Были выделены ацидофильные метанотрофы нового рода Methylocella из сфагновых болот боре-альной зоны (Methylocella palustris gen. nov., sp. nov. [5]). Чуть позднее из проб торфа Бакчарского болота (Бакчарский район Томской обл., южная тайга) впервые в мире был выделен и ацидофильный метаноген - новый вид рода Methanobacterium [2].
Выделенные ацидофильные метанотрофы Meth-ylocella оказались совершенно уникальными в связи с явлением «факультативной метилотрофии». Десятилетия исследований типовых культур метанотрофов привели к созданию «концепции облигатной метанотрофии», в соответствии с которой метанотрофы способны расти только на С1-соеди-нениях. Научный диспут о существовании факуль-
тативных метанотрофов, т.е. бактерий, способных использовать как С^соединения, так и соединения, содержащие С-С связи, имеет достаточно длинную и интересную историю. Начиная с 1974 г., был описан целый ряд «факультативных метанотрофов» [6-9]. Но после тщательного анализа эти описания были признаны ошибочными: либо способность изолятов к росту на метане была нестабильна, либо они при дальнейшем исследовании оказались син-трофными ассоциациями метанотрофа и немета-нотрофного организма [10]. Однако явление факультативной метанотрофии все же существует. Впервые это было экспериментально доказано для ацидофильных метанотрофных бактерий рода Methylocella, которые пока являются единственными известными факультативными метанотрофами. Они способны использовать в качестве ростовых субстратов не только метан и метанол, но и некоторые органические кислоты, такие как ацетат, пиру-ват, сукцинат и малат, а также этанол. При одновременном наличии в среде метана и ацетата потребляется ацетат, а после его исчерпания немедленно возобновляется потребление СН4 [11].
В будущем предстоит выделить новые виды, характерные не только для различных природных зон, но и для всех типичных местообитаний в этих зонах.
Кроме того, в цикле метана участвуют не только метанотрофы и метаногены, но и другие микроорганизмы, разрушающие сложные органические вещества и поставляющие метаногенам субстраты для синтеза СН4. Некоторые группы бактерий могут, напротив, конкурировать с метаногенами за субстрат. Все это создает чрезвычайно сложную систему процессов цикла метана в болотных почвах. И хотя она в общих чертах хорошо известна [1; 2], конкретные реализации данной схемы в типичных болотных биогеоценозах разных природных зон представляют большой интерес и в будущем должны быть подробно изучены. Особое внимание при этом необходимо уделить влиянию различных факторов внешней среды (как естественных, так и связанных с хозяйственной деятельностью челове-
М.В. Глаголев. Метаногенез болот (результаты и перспективы исследований)
ка) на все процессы цикла метана. Последнее позволит предсказать, как может реагировать этот цикл на глобальное изменение климата или на трансформацию природной среды, обусловленную антропогенным воздействием.
«Проблема кислорода» и «проблема анаэробного окисления»
Прямое экспериментальное определение потенциальной метанотрофной активности (в лабораторных условиях) не только поверхностных, но и в более глубоких (обводненных) слоях торфа [12; 13], а также косвенное измерение (методом «стабильных изотопов» в полевых условиях) доли метана, окисляющегося непосредственно в толще торфа вплоть до глубины 120 см [14; 15], не оставляют сомнений в том, что интенсивность окисления метана довольно велика не только над, но и под уровнем залегания болотных вод. Как такое может быть? Откуда может взяться кислород (необходимый для окисления метана) в слое торфа ниже уровня воды (напомним, что коэффициент диффузии О2 в воде очень мал и даже при температуре 25°С составляет лишь 2.25 см2/сут. [16]).
Прежде всего заметим, что бактериальное потребление СН4 может происходить в результате как аэробного, так и анаэробного окисления. Анаэробное потребление СН4 на протяжении длительного времени считалось спорным, но аргументы, представленные в защиту анаэробного окисления с геохимической точки зрения, оказались убедительными. Такой процесс потребления метана активно идет в морских и солоноватых осадках, обычно в основании зоны сульфатредукции [17]. До настоящего времени процесс анаэробного окисления исследован еще недостаточно; так не известны работы, в которых было бы показано, что такой процесс имеет место в пресноводных болотах. Поэтому в качестве одной из задач для будущих исследований выделяется «проблема анаэробного окисления»: наблюдается ли в болотах анаэробное окисление метана и если да, то какие агенты его осуществляют?
Обычным процессом в пресноводных местообитаниях, например в болотных или озерных отложениях, является аэробное окисление СН4 [17]. При этом M.J. Whiticar подчеркивает, что речь идет о самых верхних слоях (мощностью порядка сантиметров). Но теперь известно, что и на большей глубине в достаточно большом количестве присутствуют активные клетки аэробных метанотро-фов. Возникает вопрос: присутствует ли кислород в торфяной залежи в количестве, достаточном для окисления значительной доли (десятков процентов) образующегося метана (как это показывают результаты полевых измерений - см., например, [14; 15]) и если присутствует, то каким образом он туда поступает?
Предварительные результаты в этом направлении уже имеются. В частности, было показано наличие значительных объемов газовой фазы в толще торфяника Бакчарского болота (10-20 % в слое 6090 см). Измерение концентрации кислорода в этом локально ненасыщенном слое показало закономерное снижение концентрации О2 от 6-9 % на глубине 10 см до 2 % на глубине 100 см [12; 14]. F. Nakagawa с соавт. [18] сообщали о концентрации О2 от 1.5 до 3 % в пузырях, поднимавшихся из метаногенной осадочной толщи озер аласов, расположенных вблизи г. Якутска. В работах [19; 20] была зафиксирована 6 % концентрация кислорода в газовых пузырях и непосредственно в почвах различных кислых болот. Для объяснения данного факта A. Smith с соавт. [21] и P. Frenzel с соавт. [22] представили экспериментальные доказательства того, что кислород может поступать в почву из корней растений. Заметим, что кажущееся противоречие вышеприведенных данных с тем, что образование метана может происходить исключительно в анаэробных условиях, снимается вследствие современных представлений о микрозональности почвы - метаногенез вполне может идти внутри почвенных частиц, где абсолютный анаэробиоз достигается за счет деятельности мик-роаэрофильных бактерий, перехватывающих кислород на поверхности почвенной частицы и не пропускающих его внутрь. Наконец упомянем лабораторные опыты В.В. Снакина с соавт. [23], в которых освещение растений (в результате чего начинался фотосинтез) приводило к четкому увеличению Eh почвы и, напротив, исключение освещения - к уменьшению Eh. Однако во всех цитированных работах (кроме последней) имеется один недостаток: газовые пробы отбирались из толщи болота или на его поверхности, следовательно, не исключено попадание О2 из воздуха. Надо полагать, что для окончательного решения вопроса необходимо провести долговременные измерения с помощью погружаемого датчика растворенного кислорода.
Проблема «транспорта, связанного с растениями»
В литературе рассматривается 3 механизма выноса метана по корням и стеблям растений из почвы в атмосферу: 1) за счет молекулярной диффузии [24; 25; 26]; 2) транспирация растениями влаги, содержащей растворенный метан [26]; 3) за счет действия не очень понятных процессов, называемых в англоязычной литературе «convective through-flow» [27], «pressure-induced flow» [26], «pressurized ventilation» [28] или «thermo-osmotic gas transport» [29], но являющихся, согласно [24], проявлением одного и того же механизма, называемого ими «thermally pressurized ventilation» (TPV), что можно перевести как «вентиляция за счет обусловленного температурой повышения давления».
К сожалению, однозначного экспериментального подтверждения одной из этих (или любых других) гипотез до сих пор нет.
Оценка регионального потока
Наряду с экспериментальным изучением механизмов образования, потребления и переноса метана в почве, в последние годы была развернута широкая работа в принципиально ином направлении -«экстенсивные» измерения потоков, под которыми понимается увеличение числа географических точек, где была измерена эмиссия метана из почвы.
Основные географические точки, по которым были опубликованы результаты измерений эмиссии метана в течение последних 15 лет, приведены нами на рис. 1, из которого следует, что наиболее изученным регионом России является Западная Сибирь. Измерениями оказались охвачены все ее природные зоны. Такая подробная информация по потокам на территории Западной Сибири позволила дать оценку суммарного регионального потока: 3.7 ± 1.7 ТгС/год. Приведенная выше оценка была получена методом статистического моделирования регионального потока, исходя из экспериментально полученных распределений для отдельных экосистем и природных зон. Такой подход позволил одновременно получить и оценку погрешности вычисленного регионального потока.
Оценки, опубликованные ранее [1; 30; 31], были получены простым перемножением некоторого «периода активной эмиссии метана» и среднего арифметического значения потока, измеренного на небольшом числе ключевых участков. Известно [32], что среднеарифметические значения будут адекватно оценивать выборку лишь в предположении, что данные распределены нормально. Однако для распределения значений потока метана это в большинстве случаев не выполняется. В частности, по результатам измерений на Бак-чарском болоте было показано, что поток метана имеет логнормальное распределение [31]. Несимметричность распределения потоков метана для совокупности нескольких объектов отмечалась, например, в [33].
Однако обратим внимание на то, что полученная оценка погрешности регионального потока весьма велика (коэффициент вариации составляет 46 %). Отчасти это происходит по следующей причине. Хо -рошо известно [12; 24], что эмиссия СН4, в частнос-
ти, имеет закономерный сезонный тренд. Поскольку пока еще накоплено недостаточно экспериментальных данных, объединяют все доступные результаты измерений. При этом оказываются смешанными измерения разных временных периодов. На самом же деле, вероятностное распределение, безусловно, имеет некоторую динамику во времени, и дальнейшее уточнение региональной эмиссии невозможно без учета такой динамики. Следовательно, необходимо выполнить достаточное количество измерений во все сезоны и также в тех типичных местообитаниях, в которых пока еще либо совсем не выполнялись измерения, либо их было сделано крайне мало (в частности, сюда относятся все местообитания тундры и северной тайги, внутриболотные озера средней тайги; грядово-мочажинные комплексы в южной тайге и подтайге, все местообитания в лесостепи).
Стандартизация «экстенсивных» измерений
К сожалению, различные исследовательские группы использовали существенно разные методики при изучении метана.
Например, площади оснований камер у разных исследователей различаются на два порядка: от 0,008 до 0,581 м2 (а объемы - на три порядка: от
0,0005 до 0,152 м3)! Очевидно, что при врезании камеры в газовую систему почвы вносится некоторое возмущение, которое в дальнейшем отразится на измерениях эмиссии.
Сюда же относятся: разное время экспозиции, разная освещенность в камере, способ транспортировки газовых проб на анализ в лабораторию и время, прошедшее от отбора до анализа, и др.
Поэтому необходимо выработать стандартную методику измерений эмиссии СН4.
Благодарности
Автор благодарит сотрудников факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова: канд. биол. наук Т.А. Архангельскую, оказавшую большую помощь при написании статьи, и учебного мастера
Н.А. Шнырева, разрешившего использовать в данной работе выполненный им рис. 1. Особую благодарность хотелось бы выразить д-ру биол. наук С.Н. Дедыш (ИНМИ РАН, г. Москва), не жалевшую времени на консультации по микробиологическим вопросам, возникавшим у автора, и разрешившую использовать материалы этих консультаций в статье.
Поступила в редакцию 21.03.2008
Литература
1. Заварзин Г.А. // Природа. 1995. № 6. С. 3-14.
2. Коцюрбенко О.Р. Метаногенные микробные сообщества из холодных наземных экосистем: Автореф. дис. д-ра биол. наук. М., 2005.
3. Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. М., 2003. 464 с.
4. Лисс О.Л. и др. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение. Тула, 2001. 584 с.
5. Dedysh S.N. et al. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2000. V. 50. P. 955-969.
Н.П. Косых, И.Д. Махатков. Структура растительного вещества в лесо-болотных..
6. Patt T.E., Cole G.C., Bland J., Hanson R.S. // J. Bacteriol. 1974. V. 120. P. 955-964.
7. Patel R.N., Hou C.T., Felix A. // J. Bacteriol. 1978. V. 136. P. 352-358.
8. Lynch M.J., Wopat A.E., O'Connor M.L. // Appl. Environ. Microbiol. 1980. V. 40. P. 400-407.
9. Zhao S.J., Hanson R.S. // Appl. Environ. Microbiol. 1984. V. 48. P. 807-812.
10. Lidstrom O'Connor M.E., Fulton G.L., Wopat A.E. // J. Gen. Microbiol. 1983. V. 129. P. 3139-3148.
11. Dedysh S.N., Knief C., Dunfield P.F. //J. Bacteriol. 2005. V. 187. P. 4665-4670.
12. Глаголев М.В., Смагин А.В. Количественная оценка эмиссии метана болотами: от почвенного профиля - до региона (к 15-летию исследований в Томской области) // Доклады по экологическому почвоведению. 2006. № 3. Вып. 3. С. 75-114.
13. Воробьев А.В., Глаголев М.В., Дедыш С.Н. // Тезисы I I I Международной молодежной школы-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (22-23 ноября 2007 г.). М., 2007. С. 19-20.
14. Glagolev M., Uchiyama H., Lebedev V., Utsumi M., Smagin A., Glagoleva O., Erohin V., Olenev P., Nozhevnikova A. // Proceedings of the Eighth
Symposium on the Joint Siberian Permafrost Studies between Japan and Russia in 1999. Tsukuba: Isebu. 2000. P. 143-149.
15. Kotsyurbenko O.R., Chin K.-J., Glagolev M.V., Stubner S., Simankova M.V., Nozhevnikova A.N., Conrad R. // Environ. Microb. 2004. V. 6. P. 1159-1173.
16. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. (ред.). Физические величины. М., 1991.
17. Whiticar M.J. // Chemical Geology. 1999. V. 161. P. 291-314.
18. Nakagawa F., Yoshida N., Nojiri Y., Makarov V.N. // Global Biogeochemical Cycles. 2002. V. 16, 1041, doi:10.1029/ 2000GB001384.
19. King G.M., Berman T., Wiebe W.J. // The American Midland Naturalist. 1981. V. 105. P. 386-389.
20. Williams R.T., Crawford R.L. // Applied and Environmental Microbiology. 1984. V. 47. P. 1266-1271.
21. Smits A.J.M., Laan P., Their R.H., van der Velde G. // Aquatic Botany. 1990. V. 38. P. 3-17.
22. Frenzel P., Rothfuss F., Conrad R. // Biol. Fertil. Soils. 1992. V. 14. P. 84-89.
23. Снакин В.В., Присяжная А.А., Рухович О.Б. Состав жидкой фазы почв. М., 1997. 325 с.
24. Whiting G.J., Chanton J.P. // Glob. Biogeochem. Cycl. 1992. V. 6. P. 225-231.
25. Van der Gon H.A.C.D., van Breemen N. // Biogeochem. 1993. V. 21. P. 177-190.
26. Sebacher D.I., Harriss R.C., Bartlett K.B. // J. Envir. Qual. 1985. V. 14. P. 40-46.
27. Armstrong J., Armstrong W. // Aquatic Botany 1991. V. 39. P. 75-88.
28. Dacey J.W.H. // Ecology 1981. V. 62. P. 1137-1147.
29. Schröder P. // Trees. 1989. V. 3. P. 38-44.
30. Andronova N.G., Karol I.L. // Chemosphere. 1993. V. 26. P. 111-126.
31. Паников Н.С. // Природа. 1995. № 6. С. 14-25.
32. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М., 1985. 272 с.
33. Смагин А.В., Глаголев М.В., Суворов Г.Г., Шнырев Н.А. // Вестн. Моск. гос. ун-та. Сер. Почвоведение. 2003. № 3. С. 29-36.
