Если спросить у биолога, геолога или географа, что он знает о глубинах Черного моря, то ответ будет однозначным: Черное море – огромный резервуар сероводорода. Можно услышать также о фантастических проектах промышленного получения серы и серной кислоты с одновременной очисткой черноморских глубин.
Черное море – это самый крупный на нашей планете меромиктический водоем, водная толща которого глубже 130–150 м заполнена бескислородными водами, содержащими ядовитый сероводород.
Сегодня внимание к проблеме происхождения черноморского сероводорода напрямую связано с предположениями о возможном повышении уровня сероводородной зоны в центральной части моря, а также с установленным фактом обширного заражения сероводородом придонных вод северо-западного шельфа в летний период. Дефицит кислорода в этом наиболее продуктивном районе Черного моря привел к массовой гибели бентосных микроскопических животных! В чем причина повышения уровня сероводородных вод? Какие меры возможно принять для предотвращения гибели экосистемы Черного моря?
Сероводородную зону в Черном море открыл Н.И. Андрусов в 1890 г. Проблема происхождения этой зоны стала предметом научных дискуссий. Очень скоро мнения ученых свелись к двум главным гипотезам. Сторонники гипотезы миграционного происхождения сероводорода полагают, что основная его часть поступает в море в готовом виде из пород дна по тектоническим разломам. Аргументом в пользу «геологической» гипотезы могут служить содержащие сероводород подземные воды, найденные на восточном побережье Черного моря (район курорта Мацесты) в известняках юрского возраста. Естественно, что «геологическая» гипотеза не рассматривает влияние антропогенного фактора на образование сероводорода в море.
Другая гипотеза, которая сегодня находит все больше сторонников, может быть названа «биогенной». В конце прошлого века Н.Д. Зелинский предположил, что черноморский сероводород образуется в результате деятельности специфических бактерий, окисляющих органическое вещество кислородом из сульфатов, которые восстанавливаются при этом до сероводорода. Органическое вещество, образующееся при фотосинтезе в поверхностных водах, постоянно осаждается, а сульфаты пополняются главным образом за счет придонного притока соленых вод через пролив Босфор из Мраморного моря. Ухудшение экологической обстановки в черноморском регионе «биогенная» гипотеза связывает с дополнительным поступлением в составе бытовых и речных стоков органического вещества и минеральных солей антропогенной природы. Это активизирует все биогеохимические процессы, и в том числе процесс бактериальной сульфатредукции с образованием сероводорода в воде и осадках.
Происхождение нефти и газа, их состав
... происхождения (сапропель) из озера Балхаш. При его перегонке были получены: сырая смола - 63,2 %; кокс - 16,0%; газы (метан, оксид углерода, водород, сероводород) ... с обстоятельным докладом Д.И.Менделеев. Он изложил свою гипотезу образования нефти. Ученый считал, что во ... прогибанием. В теплых водах, на дне доисторического моря, веками накапливалась сапропель - глинистая почва, перемешанная ...
Начиная с 1980 г. сотрудники лаборатории микробной биогеохимии Института микробиологии РАН проводили комплексные исследования водной толщи и донных осадков Черного моря. Одной из основных задач была количественная оценка роли микробиологических процессов в образовании черноморского сероводорода.
Результаты многих экспедиций неоспоримо свидетельствовали в пользу его биогенного происхождения. Было доказано, что черноморский сероводород образуется главным образом за счет деятельности анаэробных сульфатредуцирующих бактерий, обитающих как в водной толще, так и в донных осадках. При этом большая часть сероводорода образуется непосредственно в водной толще, а не мигрирует из осадков.
Исследования сильно загрязненных осадков в районе выносов рек Дуная и Днестра подтвердили, что причиной сероводородного заражения водной толщи этих районов стала активизация бактериальной сульфатредукции, а также позволили достаточно точно датировать начало негативных процессов. Появление сероводородных заморных зон совпало по времени с резким подъемом промышленности и сельского хозяйства причерноморских стран.
При дальнейшем загрязнении Черного моря микробное образование сероводорода будет усиливаться. Это может привести к крупной экологической катастрофе. Ситуация такова, что нельзя недоучитывать возможность сокращения аэробной зоны моря и даже прорыва сероводорода в атмосферу.
Повышение уровня черноморского сероводорода оставило в тени не менее важную проблему анаэробного бактериального образования других газов, и прежде всего метана.
Что такое черноморский метан?
Современный метан образуется в результате жизнедеятельности уникальной группы микроорганизмов – метанобразующих архебактерий, возможно, наиболее древней группы организмов на нашей планете. Метан – конечный продукт микробного разложения органического вещества в анаэробных условиях.
Результаты последних экспедиций в сильно загрязненные приустьевые районы рек Дуная и Днестра показали, что «перенасыщение» поверхностных вод метаном в этом регионе достигает сотен и тысяч раз. Следовательно, метан, поступающий из нижних слоев моря, не успевает в водной толще окислиться аэробными микроорганизмами, питающимися метаном, и поступает в атмосферу, повышая тем самым концентрацию парниковых газов. А это грозит потеплением на планете, возможным таянием ледников со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Однако проблема черноморского метана не ограничивается исключительно процессами современного микробного метанобразования.
Роль подземных вод в формировании и разрушении залежей нефти и газа
... выветривания фундамента. В покровных отложениях щитов нередко развиты порово-пластовые воды. Залежи нефти и газа ассоциируются с бассейнами пластовых вол, поэтому на характеристике последних остановимся более подробно. Правда, ...
В апреле 1989 г. в Крымском районе Черного моря сотрудники Института биологии южных морей АН УССР обнаружили пузырьки газов, поднимающиеся к поверхности моря со скоростью 12–14 м/мин.
Специальные экспедиции обнаружили многочисленные поля подводных газовыделений в различных участках северо-западной части Черного моря на глубинах 60–650 м, а также у берегов Болгарии, Керченского полуострова и Кавказского побережья. Главным компонентом выделяющихся со дна газов являлся метан (до 80%).
Масштабы черноморских газовыделений оказались столь велики, что стало реальным объяснение причин огненных вспышек во время известного крымского землетрясения 1928 г. Землетрясение могло привести к крупномасштабному выбросу больших объемов метана в приводные слои атмосферы, а как известно, метан воспламеняется легче сероводорода.
Следует отметить, что локальные выходы метана из донных отложений (сипы) обнаружены во многих точках Мирового океана, и сегодня можно утверждать, что это явление носит глобальный характер.
Детальные биогеохимические исследования метановых сипов в Черном море были выполнены на подводной лодке-лаборатории «Бентос» в декабре 1990 г. В районе интенсивного газовыделения и высокого содержания растворенного метана на глубинах, где кислород полностью отсутствовал, были найдены карбонатные постройки разных типов: бугристые плиты округлой формы диаметром 0,5–1,5 м, плиты с одним или несколькими коралловидными наростами и плиты с башнеобразными или древовидными постройками высотой 30–100 см. Коралловидные постройки снаружи были покрыты мощными (до 2–3 см) слизистыми бактериальными обрастаниями. При разрушении построек из внутренних полостей и каналов выделялись струи пузырьков газов. Как оказалось, постройки на 99,6% состояли из СаСо 3 (арагонита).
Пора рассказать об одном из важнейших методов микробной биогеохимии. Метод основан на свойстве бактерий выбирать из природного субстрата, состоящего из смеси стабильных изотопов углерода ( 12 С и 13 С), более легкий изотоп (12 С).
Соответственно, микробная биомасса и продукты жизнедеятельности бактерий оказываются обогащенными легким изотопом (12 С).
Полученные данные позволили предположить, что образование карбонатных построек в значительной мере обусловлено активностью бактерий, окисляющих метан.
Однако оставалась неясным, сколько разных и каких именно анаэробных микроорганизмов образует коралловидные арагонитовые постройки в местах выхода газа. Поскольку коралловидные постройки были обнаружены исключительно в анаэробной зоне, встал вопрос о механизме окисления метана в условиях полного отсутствия кислорода. Дело в том, что микробиологам хорошо известна группа аэробных метанокисляющих (метанотрофных) бактерий, однако до сегодняшнего дня не известны микроорганизмы, способные к анаэробному окислению и потреблению метана. Процесс анаэробного потребления метана регистрировался многими исследователями, однако попытки выделить культуры микроорганизмов, умеющих это осуществлять, были безуспешными.
В 1993–1994 гг. в сорок четвертом и сорок пятом рейсах научно-исследовательского судна «Профессор Водяницкий» были подняты из анаэробных зон коралловидные постройки. Снаружи они оказались покрытыми толстым (до 2–3 см) студнеобразным слоем бактериальных обрастаний (матов) розовато-коричневого цвета.
Использование полезных микроорганизмов
... соединения (метан, метанол, формиат, метиламин и др.). Данные микроорганизмы называют С1 использующими формами, или метилотрофами, а тип их питания - метилотрофией. В группе метилотрофных бактерий выделяют ... клеток хемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода. Хемосинтез у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) был открыт в 1887-1890 гг. известным русским микробиологом С.Н. ...
Methanotrix.
Каковы же возможные механизмы анаэробного окисления метана? Предположение, что сульфаты могут служить конечными акцепторами электронов в процессе окисления метана, не подтвердилось.
Возможное объяснение было подсказано работами Зендера и Брока, показавшими, что чистые культуры метаногенов могут часть метана анаэробно окислять до СО 2 в реакции, обратной образованию метана:
CH 4 +2H2 O®CO2 +4H2 .
Принципиально использование воды в качестве конечного акцептора электронов при окислении метана термодинамически возможно при крайне низких концентрациях Н 2 и СО2 или при высоких концентрациях метана. Поскольку до сих пор бактериальные маты обнаруживались исключительно на арагонитовых постройках в зонах выхода газовых струй, высокие концентрации метана в среде могут быть обязательным условием развития матов.
Таким образом, представляется наиболее вероятным, что в исследованных бактериальных матах анаэробное окисление метана происходит по механизму, обратному восстановлению СО 2 , а образующийся водород быстро используется как на образование метана метанобразующими бактериями, так и на восстановление сульфатов сульфатредуцирующими бактериями.
Итак, в анаэробных условиях возникло и активно функционирует сообщество микроорганизмов, использующих уникальную природную зону. Масштабы явления таковы, что можно говорить о существовании «анаэробного метанового фильтра», представленного бактериальными матами на коралловидных постройках. Также можно смело утверждать, что бактериальное сообщество коралловидных построек – новое звено в экосистеме анаэробной зоны Черного моря.
Авторы М.В. Иванов, Н.В. Пименов, И.И. Русанов, А.С. Саввичев, Институт микробиологии РАН; А.Ю. Леин, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН