книги / Метан в водных экосистемах

и многие другие соединения, которые, попадая в донные осадки водных объектов, в анаэробных условиях в процессе гидролиза й ферментации распадаются на более простые вещества, такие как низшие спирты, ацетат, формиат, С02, Н2, которые используются метанобразующими бактериями. Важно, что в сточных водах, не­ редко, вещества типа ацетата, метанола и формиата находятся из­ начально в больших количествах и, следовательно, могут напрямую быть использованы бактериями-метаногенами при попадании этих загрязняющих веществ в донные отложения. В подобных случаях процесс метаногенеза резко ускоряется, и в воде и донных отложе­ ниях формируются зоны с повышенными относительно "фона" со­ держаниями метана. Примером могут служить озера Ладожское, Онежское, Байкал, некоторые районы которых подвержены влиянию сточных вод целлюлозно-бумажного производства, а также реки Комаровка, Раковка, Серовка испытывающие соответственно влияние сахарного завода, масложирового комбината и фанерно-мебельной фабрики (см. табл.17 и 18, глава 5). Самые высокие концентрации метана 200-2000 мкп/л и более, превышающие фоновые концентра­ ции на 1-3 порядка, были обнаружены в местах, подверженных хро­ ническому антропогенному загрязнению.

Определение содержания метана в сточных водах различных про­ изводств показало, что метаногенез интенсивно протекает уже в са­ мих сточных водах. Исключение составляют сточные воды химии ческих производств, а также сточные воды, подверженные сильному хлорированию, что ингибируют процесс метаногенеза.

Из данных таблиц 17 и 18 видно, как под влиянием хозяйствен­ но-бытовых и производственных сточных вод в реках, озерах, водо­ хранилищах, эстуариях и морских прибрежных водах наблюдается существенное возрастание содержания метана относительно фоно­ вого.

Выявленные прямо пропорциональные зависимости между со­ держанием метана и такими гидрохимическими показателями как ХПК, БПК, концентрацией Сорг, биогенов, нефти и нефтепродуктов и обратно пропорциональная зависимость между концентрациями метана и кислорода позволяют рассматривать метан как интеграль­ ный показатель качества воды, ее загрязненности органическими веществами, дающий представление о ходе биохимических процес­ сов не только в донных отложениях, но и в водной толще водоемов и водотоков.

Многолетние наблюдения за поведением метана в пресных во­ доемах и водотоках и эстуарных участках (соленость до 10 %о) и сравнение его концентрации с содержанием основных загрязняю­ щих веществ позволили нам предложить следующую оценку уровня

загрязненности водного объекта при различной концентрации мета­ на в воде и донных осадках (табл.82).

Таблица 82

Оценка уровня загрязненности пресноводных объектов и эстуарных участков по содержанию метана в воде (мкл/л) и донных отложениях (мкг/г)

Оценку загрязненности водных объектов по содержанию метана следует производить на основании статистически достоверных кон­ центраций метана, отобранных в поверхностной и придонной воде, и в верхнем слое донных отложений (диапазон 0-5 см.) с использо­ ванием подходов и.специального оборудования, описанных в главе 4.

8.4. Метан как показатель трофии водоемов

Трофность определяется количеством питательных веществ поступающих в водоем. Эвтрофикация означает процесс перехода водоема в эвтрофное состояние, т.е. переход от небольшого посту­ пления питательных веществ к значительному, что обычно сопро­ вождается изменением набора условий, например, увеличением продуктивности, количества органических веществ, содержащихся в воде и поступающих в донные отложения, возрастанием плотности популяций организмов, снижением содержания кислорода, увеличе­ нием доли анаэробных процессов в распаде органических веществ в осадках, в том числе, активизацией образования метана, как ко­ нечного продукта метаболизма органического вещества.

Авторами монографии на основании многолетних исследований поведения метана в озерах и водохранилищах [251,252,255,258, 260,264] предлагается следующая оценка уровня трофии водного объекта по содержанию метана (табл.83).

Таблица S3 Оценка уровня трофии водоемов по содержанию метана

в воде (мкл/л) и донных осадках (миг/г)

Авторы считают, что изменение содержания метана в воде и донных осадках по площади водного объекта является важным до­ полнительным источником информации о загрязнении и трофии участков и должно стать элементом оперативного мониторинга при рекогносцировочных исследованиях.

МЕТАН В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА И НЕКОТОРЫХ ПРОДУКТАХ ПИТАНИЯ

Исследования природы современного метаногенеза показыва­ ют, что в биохимическом отношении образование метана в водных объектах мало чем отличается от образования метана в организме человека и животных. Это обстоятельство подвинуло нас на изуче­ ние образования и закономерностей распределения метана в орга­ низме человека, в частности, моче и крови [269]. Другим, дополни­ тельным стимулом, было желание проследить возможную связь по­ вышенной концентрации метана в моче и крови с некоторыми забо­ леваниями.

Сопоставление концентрации метана в воде показало его суще­ ственное возрастание в крови и моче по отношению к содержанию в воде Мирового океана. Наиболее близкими усредненными значе­ ниями характеризовались данные по содержанию метана в водо­ проводной воде, внутренних морях России и соответственно крови и моче человека. Известно, что по своему химическому составу раз­ личные тканевые жидкости чрезвычайно сходны с морской водой. Таким образом, сравнение Хорна [283] организма человека с «меш­ ком с морской водой» не лишено здравого смысла и подтверждает­ ся результатами по изучению концентрации метана.

Выше по тексту представлены результаты изучения вариаций содержания современного метана практически во всех видах при­ родных и сточных вод, донных отложениях и в водопроводной воде различных регионов России. Это дало возможность перейти к ис­ следованию одной из важных составляющих цикла метана • орга­ низму человека. Роль собственно homo sapiens в глобальном про­ изводстве метана неясна. Между тем, рассмотрение данного вопро­ са представляет большой научный и прикладной интерес.

Для получения количественных оценок эмиссии метана орга­ низмом человека в окружающую среду мы обратились к исследова­ нию распределения его содержания в моче и крови, а также некото­ рых продуктах его пищевого рациона. Эти разработки привели нас к пониманию того, что сведения по содержанию метана могут ока­ заться полезными при оценке общего состояния здоровья человека и выявлении некоторых заболеваний.

Метан в моче. Как известно, образование метана происходит в желудке человека в результате течения биохимических процессов. В окружающую среду он выделяется с человеческими фекалиями, мочой и газами.

Была исследована моча более 40 добровольцев. Содержание метана варьировало в пределах 0,9-138,0 мкл/л, в среднем 15,6 мкл/л (без учёта максимального значения - 11,4 мкл/л). Максималь­ ное содержание метана в моче (138 мкл/л) обнаружено у семилет­ него ребенка, страдающего, по всей видимости, дискинезией (газо­ вым вулканизмом). По прошествии одного года содержание метана в моче этого добровольца оказалось на уровне 253,5 мкл/л, а пред­ полагаемый диагноз болезни был подтвержден.

По возрасту выделено две группы добровольцев - до 30 лет и выше. У людей в возрасте до 30 лет, исключая мальчика, содержа­ ние метана в моче изменялось от 0,9 до 29,8 мкл/л (в среднем 6,4 мкл/л). В моче людей в возрасте выше 30 лет оно изменялось в бо­ лее широких пределах - от 1,8 до 57,3 мкл/л (в среднем 14,3 мкл/л). Употребление спиртных напитков не оказывало заметного влияния на содержание метана в моче добровольцев. В то же время уста­ новлено, что первая (утренняя) порция мочи у одного и того же че­ ловека содержит метана больше, чем последняя. Независимо от возраста у женщин концентрация метана в моче находилась в пре­ делах 2,0-44,7, в среднем 16,2 мкл/л: у мужчин этот газ в моче со­ держался в количествах от 0,9 до 57,3, в среднем 9,6 мкл/л.

Суточные наблюдения показывают, что у одних людей концен­ трация метана изменяется достаточно широко - от 8,4 до 44,7 мкл/л, в то время как у других интервал значений значительно уже - 1,8-5,6 мкл/л. По всей видимости, метан, поступающий в организм людей с водой, полностью расходовался вследствие течения био­ химических процессов, и поэтому его концентрации в моче отража­ ют специфику метаногенеза в организме каждого добровольца.

Практически у всех добровольцев обнаружены следы ацетона в количествах, не превышающих норму. В четырех случаях в моче со­ держание ацетона оказалось аномально высоким. В трех случаях это было связано с потреблением некачественной водки, содержа­ щей ацетон. Данный вывод был подтвержден анализом алкогольной продукции и высоким содержанием в моче добровольцев этилового спирта, а также признанием самих добровольцев в ее употребле­ нии. В одном случае высокое содержание ацетона было связано с сахарным диабетом, которым болела женщина. Через один год был проведен повторный анализ содержания метана и ацетона в моче этого добровольца.^Содержание ацетона уменьшилось, но было все же выше нормы. Концентрация метана была на 10 мкл/л выше по сравнению с предыдущим годом. Интересно, что повышенное со­ держание ацетона и этанола в моче людей, выпивших некачествен­ ную водку, сохранялось в течение трех дней.

С целью выяснения роли влияния состава пищевых продуктов на распределение метана в моче был проведен эксперимент на од­ ном добровольце. Математически обработанные результаты экспе­ римента подтвердили ранее сделанный вывод о том, что содержа­ ние метана в питьевой воде не коррелирует с его концентрацией в моче. В то же время установлено снижение концентрации метана в моче добровольца в тот период времени, когда он в течение не­ скольких часов пил минеральную воду ("Славяновскую", "Смирнов­ скую"). Потребление в пищу большого количества продуктов - около 1,25 кг (мясо, помидоры, огурцы, лук, чеснок, зелень) и алкоголя (водка) - способствовало тому, что содержание метана в моче доб­ ровольца в период с 18.00 до в.00 утра следующего дня повысилось

с6,0 до 35,0 мкл/л.

Всвязи с этим было интересно узнать содержание метана в не­ которых продуктах питания, в частности - овощах. По усредненным данным, концентрация метана в томатном и огуречном соке, выдав­ ленных из свежих овощей, составила соответственно 260 и 200 мкл/л. По-видимому, следует предположить, что мясная и овощная пища способствует накоплению метана в моче и, следовательно, организме человека, поэтому при определенных видах заболеваний ее потребление следует ограничивать.

Метан в крови. Поскольку метан, как и другие газы, может пе­ реноситься с током крови, мы исследовали его содержание в ней у пяти добровольцев. Концентрация метана варьировала в пределах 2,9-9,3 мкл/л (в среднем 6,4 мкл/л). Для небольшой статистической выборки данных не было отмечено значимой корреляционной зави­ симости между содержанием метана в моче и крови добровольцев.

Взаключение отметим, что полученные результаты исследова­ ний могут быть использованы при диагностике некоторых заболева­

ний и при оценке общего состояния здоровья человека. Хромато­ графический метод равновесного пара позволяет одновременно с определением содержания метана и ацетона изучать содержание этанола, метанола и некоторых продуктов метаболизма. В этой свя­ зи большие перспективы открываются для применения этого метода в криминалистике, поскольку обнаружение алкоголя в крови воз­ можно даже на третьи сутки после его употребления. Большой ин­ терес для геронтологии представляют данные о более высоком со­ держании метана в моче людей старше 30 лет по сравнению с бо­ лее молодыми. Что же касается различий в содержании метана в моче по половому признаку, то они требуют дальнейшей проверки ввиду относительно слабой представительности фактического ма­ териала и возможного влияния возрастного фактора.

Выделение метана из организма человека происходит с мочой, через прямую кишку с фекалиями и газами. У здоровых людей еже­ суточно через прямую кишку выделяется в среднем около 600 мл газов (от 200 до 2000 мл), и выходят они в виде приблизительно 15 порций по 40 мл каждая, хотя существуют значительные индивиду­ альные различия. По данным различных авторов, состав кишечного газа таков: азот - 70-86%, кислород - 0-12%, диоксид углерода - 6- 12%, водород - 1-10%, метан - 0,1-2%, сероводород - 0-10%. Наши расчеты показали, что в день человек выделяет в среднем до 6 мг СН4 в сутки. Миллионный город поставляет в атмосферу неттопродукцию этого газа в количестве 2,190 тонны в год, в то время как все население Земного шара производит его в среднем порядка 1,3-1010 г в год или 0,013 Тг СН4в год. Эти величины существенно уступают неттопродукции метана жвачными животными или термитами.

Интересно отметить, что у животных наблюдается связь между объемами эмиссии метана, с одной стороны, и наличием у них неко­ торых болезней и плохим кормлением - с другой. Специализиро­ ванные высокопродуктивные стада в западных странах выделяют около 25-30 г метана на 1 кг произведенного молока по сравнению со 100-150 г метана на 1 кг произведенного крупным рогатым скотом и буйволами в Непале.

Как правило, вследствие повышенных концентраций метана в фекальных массах, их плотность становиться менее 1,0 и при по­ ступлении' в воду они имеют свойство всплывать на поверхность. Это служит также дополнительным источником метана в прибреж­ ных морских районах, реках и пресных водоёмах, куда могут сбра­ сываться канализационные стоки.

Вразвитых странах на свалки вывозится примерно 1,8 кг мусора

вдень в расчёте на одного человека, в России - 0,6 кг соответст­ венно. Примерно 10 % этой массы может преобразоваться в метан. Рассчитав потенциальную способность образования метана из му­ сора в миллионном городе, получим величину, составляющую 22

тысячи тонн в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Завершающая стадия подготовки монографии по времени сов­ пала с работой Всемирной конференции по изменению климата (WORLD CLIMATE CHANGE CONFERENCE, Moscow, Russia, Sep­ tember 29 - October 3, 2003), проводившейся под председательст­ вом академика РАН Ю.А. Израэля и очевидным доминированием представителей российской научной школы. Она поставила точку в продолжавшемся в последние десятилетия споре мирового сооб­ щества по поводу возможного потепления климата и главных при­ чин, вызвавших его.

Основными парниковыми газами названы водяной пар, диоксид углерода, озон, метан, закись азота, галоидоуглероды и другие про­ мышленные газы. Все вместе они составляют менее 1% атмосфе­ ры. Тем не менее, этого содержания вполне достаточно, чтобы в процессе эволюции атмосферы был создан «естественный парни­ ковый эффект», который дает возможность сохранить на Земле температуру на 30° выше той, что имела бы место быть в случае его отсутствия. Это чрезвычайно важно для жизни на Земле в том виде, в котором мы ее знаем [115].

Мировым сообществом признано, что уровни основных парни­ ковых газов (возможно, за исключением водяных паров) возрастают в результате антропогенной деятельности. Это происходит с бес­ прецедентной скоростью, способствуя усилению «естественного парникового эффекта».

Согласно климатическим моделям, глобальная средняя темпе­ ратура увеличится к 2100 году примерно на 1,4-5,8°С. Для всех нас, живущих на Земле, необходимо знать о существовании новых, еще более убедительных фактах, свидетельствующих о том, что изме­ нение климата уже началось. И, тем не менее, остается еще много неопределенностей и сомнений относительно возможного измене­ ния климата, достоверности натурных определений и прогнозных расчетов и, главное, его влияния на качество природной среды.

В свете вышеизложенного, положенные в основу монографии исследования показали, что существует тесная связь между содер­ жанием метана в воде и донных отложениях водотоков, пресновод­ ных водоемов, эстуариев и морей и его потоками в системе «донные отложения - вода - атмосфера». На эти характеристики оказывает влияние антропогенный фактор, способный изменить их величину на 1-2 порядка. Содержание метана в водных экосистемах тесней­ шим образом связано с концентрацией загрязняющих веществ (нефти, нефтепродукты, различные антропогенные органические соединения, соединения азота, фосфора и ртути) и такими показа-

телями, как БПК5, ХПК. Установлена обратно пропорциональная связь между содержанием метана в воде и концентрацией молеку­ лярного кислорода. Это дало основание разработать классифика­ цию водотоков, пресноводных и солоноватых водоемов по их трофии и загрязненности. Выполнены длительные наблюдения за из­ менением концентрации метана в воде и донных отложениях для некоторых водных объектов. Показано, что на его распределение в водной толще оказывает влияние поступление метана из донных отложений и его сток в атмосферу, температура воды, атмосферное давление, состояние погоды (штиль, шторм), содержание природ­ ных и антропогенных соединений, особенно последних.

В географическом плане изучению уровня и распределения концентраций метана в воде и донных отложениях была подвергну­ та территория бывшего Советского Союза - от побережья Балтий­ ского моря до Тихого океана, а также водотоков и водоемов, распо­ ложенных в сопредельных странах.

Впервые представлены изменения концентрации метана в воде озер, водохранилищ, прудов, рек и ручьев, эстуариев, внутренних морей и сточных водах различных производств.

Анализ показал, что существует определенная тенденция в по­ ведении концентрации метана в зависимости от типа водного объ­ екта. Так, наблюдается плавное возрастание концентрации газа в водной толще водотоков и пресноводных водоемов в направлении озера -> водохранилища и пруды -♦ реки и ручьи. Отмечается рез­ кое падение концентрации метана в барьерных зонах «река - эстуа­ рий» и «река - море (океан)». В солоноватых водоемах имеет место снижение содержания метана в воде в направлении эстуарий -*• мо­ ре —*■океан. Наибольшими концентрациями метана характеризуют­ ся сточные воды различных производств и реки, ручьи и водоемы, подверженные антропогенному воздействию. В последних случаях концентрация метана и его эмиссионные потоки в воде и донных от­ ложениях экосистем существенно возрастают.

Характер распределения концентраций метана по длине рек, на берегах которых расположены крупные источники загрязнения (го­ рода, различные виды производств), резко отличается от распреде­ ления концентраций метана в воде рек фоновых регионов. Если в последних концентрация метана в воде, как правило, нарастает от истока к устью рек, то для рек загрязненных районов содержание газа ведет себя скачкообразно, резко увеличиваясь в местах сосре­ доточенного антропогенного воздействия и снижаясь после прохож­ дения зоны загрязнения.

Наблюдается тенденция, указывающая на слабое снижение концентрации метана в воде водных объектов по мере похолодания

и аридизации климата, а также в направлении равнина —►предгорье —» горы. Однако эта зональность нарушается, как только на фоно­ вое распределение концентрации метана накладывается антропо­ генный фактор. И здесь следует отметить, что впервые на выдаю­ щуюся роль антропогенного фактора в изменении фоновых концен­ траций метана в воде и донных отложениях водных экосистем и ис­ пользовании метана в качестве показателя их более ранней загряз­ ненности обращено внимание в наших работах.

Другая важная научная и прикладная проблема, анализу кото­ рой посвящен один из разделов нашей монографии, - это открытие тесной связи меходу концентрацией ртути, с одной стороны, и мета­ н а - с другой, и теоретическое объяснение, данное этому феноме­ ну, как результату сопряженности биогеохимических процессов ме­ танового и ртутного циклов в водных экосистемах и Земной коре.

Детальный анализ поведения концентраций метана и сероводо­ рода в верхних слоях донных отложений и на границе раздела «дон­ ные отложения - придонный слой воды», а также численности бактерий-метаногенов и сульфатредукгоров, свидетельствует о не­ полном ингибировании процесса метаногенеза сульфатредукцией. Наиболее характерной для донных отложений является зависи­ мость, указывающая на снижение концентрации общего сероводо­ рода с глубиной, и наоборот, возрастание содержания метана в об­ ратном направлении. Тем не менее, особенно в зонах свала антро­ погенного органического вещества, содержания сероводорода и ме­ тана возрастают симбатно. Мы объясняем это тем, что здесь, воз­ можно, имеет место переключение механизма образования метана исключительно по механизму редукции диоксида углерода и фер­ ментации ацетата на использование бактериями-метаногенами лег­ кодоступных лабильных органических веществ.

Таким образом, не только свалки хозбытовых отходов и другие источники могут привести к возрастанию потоков метана в воду и атмосферу, но и очаги загрязнения, образовавшиеся непосредст­ венно на акватории водных объектов.

Метан, точнее его содержание в воде и донных отложениях, может служить не только виновником замора рыб и индикатором за­ грязненности водных объектов, но и индикатором наступления кол­ лапса водной экосистемы. Это было установлено на примере рыбо­ разводных прудов.

Наконец, метан может быть использован как показатель качест­ ва питьевой воды и состояния водопроводной сети, а также здоро­ вья человека.