МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ОЗЕРА БАЙКАЛ - Eco-Vector Journals Portal
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ГЕОХИМИЯ, 2019, Т. 64, № 4, с. 427–439
МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ
ОЗЕРА БАЙКАЛ
© 2019 г. Д. Н. Гарькуша a, *, Ю. А. Фёдоров a, Ю. А. Андреев b,
Н. С. Тамбиева b, О. А. Михайленко b
a
Институт наук о Земле Южного федерального университета
Россия, 344090 Ростов-на-Дону, ул. Р. Зорге, 40
b
Гидрохимический институт,
Россия, 344090 Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 198
*e-mail: gardim1@yandex.ru
Поступила в редакцию 27.05.2017 г.
После доработки 20.10.2017 г.
Принята к публикации 13.11.2017 г.
Проанализированы результаты изучения распределения концентраций метана и сульфидной серы
в верхнем горизонте донных отложений различных районов озера Байкал, полученные при прове-
дении экспедиционных исследований 2014 и 2015 гг. В период исследований концентрация метана
и сульфидной серы в отложениях озера варьировала в пределах от428 ГАРЬКУША и др.
ческий характер и, как правило, ограничены В данной работе, помимо обобщения ранее
одним, реже двумя районами. Что касается суль- опубликованных материалов, рассматриваются
фидной серы, то по крайней мере с начала 2000- х результаты 2 экспедиций, охвативших несколь-
годов Росгидрометом на созданной сразу после ко районов озера Байкал, с целью установления
запуска Байкальского целлюлозно-бумажного закономерностей пространственного распре-
комбината (БЦБК) в 1965 г. системе гидрохи- деления и взаимосвязи концентраций метана
мического и гидробиологического мониторин- и сульфидной серы в верхнем горизонте донных
га, охватывающей практически всю акваторию отложений, а также выявления роли грануломе-
озера, ведутся систематические наблюдения за трического состава отложений и содержащихся
ее содержанием в донных отложениях, а первые в них органических веществ. Актуальность ра-
сведения о концентрациях сульфидной серы боты обусловлена также и тем, что информа-
были получены Лимнологическим институтом ция о том, как меняются концентрации метана
АН СССР еще с конца 50-х и в 60-е годы про- и сульфидной серы в отложениях южной части
шлого века (Государственные доклады…, 2004– озера, позволит судить о восстановлении эко-
2015), то есть до начала работы БЦБК. Позднее, системы озера (Гарькуша и др., 2013; Федоров
вопросы, касающиеся распределения и образо- и др., 2004б, 2006, 2007) после закрытия в 2013 г.
вания восстановленных соединений серы в от- проработавшего почти 50 лет БЦБК, влияние
ложениях озера (в том числе сульфидной серы), которого может сказываться еще долгие годы.
рассматривались в работах (Гоман, 1975; Лазо,
1980; Федоров, 1999; Намсараев, 1995а; Аника-
нова, 2009; Пименов и др., 2014). МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Уже в ходе первых исследований было уста-
новлено, что, несмотря на относительно низкое В сентябре 2014 и 2015 гг., то есть спустя 20
содержание сульфатов в воде и поровых раство- лет с момента последней экспедиции (Федоров
рах донных отложений озера, низкие темпера- и др., 1997), авторами проведены работы, в ходе
туры водной толщи и ее хорошую аэрацию, обу- которых в различных районах озера Байкал ото-
словливающую высокое содержание кислорода, браны пробы донных отложений для определе-
процессы метаногенеза и сульфатредукции в от- ния концентраций метана и сульфидной серы
ложениях озера, тем не менее, протекают. При (рис. 1). Помимо метана и сульфидной серы
этом ключевая роль на конечных этапах ана-
чера
яя
ерхн
эробной деструкции органического вещества р. Ки р. В а
г а р
412 Ан
в отложениях в целом принадлежит именно 413 414
р. Т
410 417
ыя
метаногенезу, в то время как активная сульфа- 409
406
416 м. Фролиха
тредукция наблюдается лишь в верхних (до 15– р. Рел
ь 407
404
405
403 р. Том
20 см) слоях отложений, что связывают с исчер- 402
415 па
панием сульфатных ионов в нижних горизонтах 401
осадков (Намсараев и др., 1995а, б). Протекание
данных процессов уже в верхнем 0–5-санти-
метровом горизонте отложений, как правило,
с наиболее окисленными условиями среды (как р. Бар
гузин
считают например, Федоров и др., 2007; Леин,
Иванов, 2009) происходит в анаэробных микро- 12-1 Корсаково
Кудара
зонах (микронишах), формирующихся внутри
р. Анга
Красный
слагающих донные отложения органоминераль- р. Селенга 10-2 пр. Крив
ая
Яр
ра
ных частиц за счет перехвата кислорода уже на 9-2
й
ута
Гал
8-2
поверхности этих частиц, вследствие интенсив-
пр.
7-2
6-2 р. Шумиха
но протекающих здесь процессов окисления ор- Истомино
4-2
ганического вещества. Как показано в работах 4-3
3-2
Исток
105 106 р. Исток
(Федоров и др., 1997, 2007), в нижних изучен-
ая
103 3-3
а ск
104 62 63 37
нк ин
78 77
101 34 25 2-3 2-2
ба ур
65 50
1 8268 64
-М
102 87
ных (до 10–15 см) горизонтах отложений озера 66 31 32 23 71 86 89 1-3
ра
Ха
67 22 52 69 90
р. Солзан
р. Утулик
70 79 80 81
Байкал концентрации метана нередко увеличи-
р. Осиновка
Сброс
ваются в 1.5–2 и более раз, что обуславливается сточных
вод БЦБК
снижением окислительно-восстановительного
потенциала среды до более благоприятных для Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб
метаногенов отрицательных значений. донных отложений в озере Байкал.
ГЕОХИМИЯ №4 2019МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА 429
(∑H2S), в 2015 г. в отобранных отложениях про- и пронумерованные бюксы отбирали навеску
ведено определение органических углерода (Сорг) донных отложений для определения массовой
и азота (Nорг), а также гранулометрического со- доли сухого осадка и его влажности.
става для выявления их роли в пространствен-
Определение содержания Сорг в донных от-
ном распределении определяемых показателей.
ложениях проводилось методом мокрого «сжи-
Повышенное внимание было сосредоточено гания» (по Тюрину) – окисление органических
на северном районе озера, куда впадает большое веществ избытком бихромата калия в силь-
количество рек, зоне воздействия БЦБК, а также нокислой среде с последующим титрованием
зоне впадения в озеро реки Селенги, сток которой остатка солью Мора. Определение Nорг выпол-
составляет около 50% поступления в озеро реч- нялось методом минерализации азотсодержа-
ных вод. Донные отложения (верхний горизонт до щих органических веществ концентрированной
6–7 см) отбирали дночерпателем Петерсена с бор- серной кислотой при кипячении, затем образо-
та научно-исследовательского судна “Персей” вавшиеся соли аммония переводились в амми-
(ФГБУ «Иркутское УГМС» Росгидромета) на глу- ак, который после отгонки определялся методом
бинах от 14 до 250 м. При поднятии донных отло- обратного титрования. Анализ донных осадков
жений на поверхность отбор проб проводился по для определения гранулометрического состава
центру ковша дночерпателя, а самый верхний, как проводился на лазерном дифракционном анали-
правило, более светлый и влажный слой (в том заторе размеров частиц SALD-2300 (Shimadzu,
числе желто-серый наилок), вероятно, с наиболее Япония). Название литологических типов от-
окислительными условиями среды, не отбирался. ложений дано в соответствии с номенклатурой
Отбор проб и последующее определение ме- В.Т. Фролова (Япаскурт, 2008).
тана проводили согласно аттестованным ме-
тодикам анализа (РД 52.24.511-2013). Анализ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
выполняли на газовом хроматографе «Хрома- И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
тэк-Кристалл 5000.2» с дозатором равновесного
пара на пламенно-ионизационном детекторе. Концентрация метана в донных отложениях
Выполнение измерений массовой доли суль- озера Байкал в 2014 и 2015 гг. соответственно
фидной серы основано на переводе сульфидов варьировала от 0.03 до 3.69 мкг/г сухого осад-
донных отложений в сероводород действием ка (с.о.) (в среднем 0.66 мкг/г) и от430 ГАРЬКУША и др.
Таблица 1. Продолжение
№№ станций и их Координаты, Глубина, СН4, ∑Н2S, Цвет и литологический тип
местоположение с.ш./в.д. м мкг/г с.о. мг/г с.о. донных отложений
ст. 406, 0.2 км от устья 55°30'47.80"/ - - коричневый песок
40
р. Слюдянка 109°12'37.50" 0.53 0.046 сильноалевритистый
ст. 407, 0.6 км от устья 55°30'51.40"/ - - коричневый алеврит
155
р. Слюдянка 109°12'59.60" 0.07 0.007 сильнопесчанистый
ст. 409, 1.5 км от устья 55°35'51.70"/ - - ** серо-голубой алеврит
210
р. Тыя 109°22'32.30" 0.14 0.008 глинистый
ст. 410, 1.0 км от устья 55°42'20.40"/ 0.90 0.013 коричневый алеврит
32
р.Чуна 109°29'23.40" 0.03 0.018 глинисто-песчанистый
ст. 412, 0.5 км от устья 55°46'00.18"/ 0.97 0.830 черный песок
45
р. Кичера 109°37'03.40" 1.81 0.384 сильноалевритистый
ст. 413, 1.0 км от устья 55°45'37.20"/ - черный алеврит глинисто-
155 -
р. Кичера 109°36'58.40" 0.39 песчанистый
ст. 414а, 0.5 км от устья 55°41'59.90"/ 3.69 0.389 темно-серый алеврит
58
р. Верхняя Ангара 109°51'59.90" - - глинистый
ст. 414б, 1.0 км от устья 55°41'38.70"/ - - коричневый алеврит
110
р. Верхняя Ангара 109°51'48.00" 1.05 0.019 глинистый
ст. 415, 0.5 км от устья 55°07'05.70"/ 0.04 0.010 серо-голубой алеврит
90
р. Томпуда 109°43'59.90" 0.17 0.072 сильнопесчанистый
ст. 416, 1.5 км от устья 55°21'52.50"/ 0.03 0.019 коричневый алеврит
170
р. Горячий 109°46'55.10"МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА 431
Таблица 1. Продолжение
№№ станций и их Координаты, Глубина, СН4, ∑Н2S, Цвет и литологический тип
местоположение с.ш./в.д. м мкг/г с.о. мг/г с.о. донных отложений
52°20'30.60"/ 0.68 0.017 ** коричнево-зеленый
ст. 8-2 20
106°15'41.50" 0.02 0.005 песок слабоалевритистый
52°21'51.84"/ - - серо-коричневый песок
ст. 9-2 18
106°19'16.20" 0.02 0.013 сильноалевритистый
52°24'02.40"/ 0.03 0.007 серо-коричневый песок
ст. 10-2 20
106°14'53.30" 0.04 0.008 слабоалевритистый
52°25'03.00"/ 0.08 0.007 коричневый песок
ст. 12-1 20
106°36'06.00" 0.04 0.007 слабоалевритистый
Южный район озера, зона влияния БЦБК
ст. 1, р. Солзан, зона 51°31'57.01"/ - серо-коричневый песок
20 -
смешения 104°09'32.60" 0.006 алевритистый
51°30'09.40"/ - серо-коричневый песок
ст. 22 22 -
104°14'44.10" 0.026 алевритистый
51°30'34.13"/ 0.27 0.030 серо-голубой плотный
ст. 23 100
104°15'5.74" 0.06 0.036 алеврит сильнопесчанистый
51°30'53.48"/ - - серо-коричневый алеврит
ст. 25 210
104°15'35.04" 1.24 0.016 глинисто-песчанистый
51°30'51.12"/ - - ** серо-голубой алеврит
ст. 31 170
104°14'02.35" 0.33 0.020 глинистый
51°30'41.07"/ - - ** серый алеврит
ст. 32 90
104°14'27.88"432 ГАРЬКУША и др.
Таблица 1. Окончание
№№ станций и их Координаты, Глубина, СН4, ∑Н2S, Цвет и литологический тип
местоположение с.ш./в.д. м мкг/г с.о. мг/г с.о. донных отложений
51°30'33.31"/ 0.47 0.013 ** серо-голубой алеврит
ст. 69 200
104°16'34.40" 0.11 0.021 песчано-глинистый
51°29'41.16"/ 0.14 0.196 темно-серый алеврит
ст. 70а 61
104°16'04.32" - - глинисто-песчанистый
51°29'45.89"/ - - серый алеврит глинисто-
ст. 70б 100
104°16'07.28" 0.07 0.031 песчанистый
51°30'42.63"/ - - серо-черный алеврит
ст. 71 160
104°15'51.65" 0.08 0.039 глинисто-песчанистый
51°30'56.30"/ - - серый алеврит глинисто-
ст. 77 250
104°16'47.03" 0.14 0.014 песчанистый
51°31'07.66"/ 1.87 0.017 серо-черный алеврит
ст. 78 240
104°16'05.16" - - глинисто-песчанистый
51°29'46.81"/ - - серый алеврит
ст. 79 92
104°16'35.82" 0.05 0.006 сильнопесчанистый
51°29'54.41"/ - - ** серый алеврит глинисто-
ст. 80 118
104°17'11.64" 0.16 0.026 песчанистый
51°29'35.25"/ - - серо-коричневый песок
ст. 81 62
104°17'30.35" 0.02 0.023 алевритистый
51°31'48.60"/ - - серо-коричневый песок
ст. 82 38
104°11'15.31"МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА 433 В период исследований, как и в предыдущие Наблюдается отчетливая зависимость рас- годы наблюдений (Федоров и др., 1997, 2007), пределения концентраций метана и сульфидной максимальные концентрации метана в отложе- серы от гранулометрического состава донных ниях (1.81–3.69 мкг/г с.о.) были характерны для отложений (табл. 2), что характерно и для дру- северного района озера, куда впадают воды рек гих водных объектов (Гарькуша, Федоров, 2010; Верхней Ангары и Кичеры. Здесь же зафикси- Федоров и др., 2006, 2007). При этом, если с уве- рованы и наиболее высокие концентрации суль- личением доли песчаной фракции (>0.05 мм) фидной серы в отложениях (0.384–0.830 мг/г концентрации метана и сульфидной серы сни- с.о.). Относительно высокие концентрации ме- жаются (рис. 2а), то с увеличением доли более тана (1.85–2.69 мкг/г с.о.) и сульфидной серы тонкозернистых фракций (алевритовой и пели- (0.056–0.097 мг/г с.о.) определены также в отло- товой размерности) их концентрации, наобо- жениях отдельных станций (№№ 2-3, 4-3 и 7-2) рот, возрастают. Причем с пелитовой фракцией профиля, проложенного вдоль устьевой зоны (
434 ГАРЬКУША и др.
(а) (а)
СН4, мкг/г с.о.
ΣН S, мг/г c.о.
1.20 0.08 37.5
Сорг, мг/г с.о.
40.0
28.2
23.2 29.0
0.60 0.04 18.9 19.0
20.0
13.7
2
8.0 19.4
4.8 9.1
0 0 2.1
0
0 50 100 0 50 100 Песок Алеврит Алеврит глинисто- Алеврит
Фракция 0.05–0.5 мм, в % слабоалевритистый, песчанистый и песчанистый и глинистый
алевритистый и сильнопесчанистый песчано-глинистый
СН4, мкг/г с.о.
ΣН S, мг/г c.о.
1.20 0.08
сильноалевритистый
0.60 0.04 (б)
СН4, мкг/г с.о.
1.20
2
0 0
0 40 80 0.60
0 40 80
Фракция 0.005–0.05 мм, в %
ΣН S, мг/г c.о.
СН4, мкг/г с.о.
1.20 0.08 0
0 10 20 30 40
Сорг, мг/г с.о.
0.60 0.04
ΣН S, мг/г c.о.
0.08
2
0 0
0.04
0 5 10 0 5 10
2
Фракция < 0.005 мм, в %
0
(б)
СН4, мкг/г с.о.
1.20 1.047 0 10 20 30 40
0.882
Сорг, мг/г с.о.
0.60
ΣН S, мг/г c.о.
0.172 0.405 0.08
0.043 0.209
0.025 0.017 0.015 0.052 0.027 0.064
0
0.04
2
ΣН S, мг/г c.о.
0.08 0.071
0.042 0.049 0
0.04 0 0.3 0.6 0.9 1.2
0.024 0.026
0.013
2
0.015 СН4, мкг/г с.о.
0.007 0.003 0.027 0.002 0.008
0.003
0
Песок Алеврит Алеврит глинисто- Алеврит
Рис. 3. Изменение концентрации Сорг в зависимо-
слабоалевритистый, песчанистый и песчанистый и глинистый сти от литологических типов донных отложений (а),
алевритистый и сильнопесчанистый песчано-глинистый
сильноалевритистый а также зависимости между концентрациями Сорг,
метана и сульфидной серы (б) в отложениях иссле-
Рис. 2. Изменение концентраций метана и сульфид- дованных районов озера Байкал (по данным 2015 г.).
ной серы (∑H2S) в зависимости от гранулометриче-
ского состава (а) и литологических типов донных от-
ложений (б) исследуемых районов озера Байкал (по мум – 26.8). На фоновых участках южного райо-
данным 2015 г.). На рис. 2б приведены минималь- на озера это отношение колеблется в диапазоне
ные, средние и максимальные концентрации метана 5.5–10 (в среднем 8). Наблюдается тенденция
и сульфидной серы в донных отложениях различных снижения значения отношения Сорг/Nорг по мере
литологических типов. увеличения крупности слагающих отложения
фракций (рис. 4б).
объектов (Гарькуша, Федоров, 2010; Федоров
и др., 2006; 2007). Ингибирующее влияние процесса сульфат-
редукции на образование метана в изученном
Такие же тесные корреляционные связи на- верхнем слое донных отложений озера Байкал,
блюдаются между концентрациями изученных характерное для некоторых водных объектов,
восстановленных газов и Nорг (рис. 4а). Обраща- и особенно для восстановленных морских осад-
ет внимание, что в среднем во всех исследован- ков и озер с высоким содержанием сульфатов
ных районах озера, за исключением зоны БЦБК, (Кузнецов и др., 1985; Леин, Иванов, 2009; Фе-
отношение Сорг/Nорг не превышает 10 (рис. 4б), доров и др., 2007; Winfrey, Zeikus, 1977 и др.),
что свидетельствует о преимущественно авто- не установлено. Распределение концентраций
хтонном происхождении органического веще- метана и сульфидной серы, а также ранее по-
ства осадков (Леин и др., 2000). Увеличение по- лученные данные по изотопному составу серы
ступления в донные отложения южного района и кислорода сульфатных ионов (Федоров и др.,
озера вместе со стоками БЦБК и г. Байкальска 1992) свидетельствуют об интенсивных процес-
значительной примеси терригенного органи- сах сульфатредукции на тех же станциях, где
ческого вещества сказывается на росте средней фиксируются и наиболее высокие концентра-
величины отношения Сорг/Nорг до 11.9 (макси- ции метана, что выражается тесной прямоли-
ГЕОХИМИЯ №4 2019МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА 435
1.20 (а) ной серы и метана в донных отложениях Ры-
СН4, мкг/г с.о.
бинского водохранилища (Федоров и др., 2007),
0.60
устьевых участков рек Северная Двина (Гарьку-
0
ша, Федоров, 2014) и Дон (Гарькуша, Федоров,
0 1 2 3 4 2010) свидетельствует о распространенности
Nорг, мг/г с.о. описанной взаимосвязи в отложениях пресно-
0.08 водных объектов на участках, подверженных
ΣН S, мг/г c.о.
мощному антропогенному давлению. Не исклю-
0.04
чено также, что данное явление связано с разви-
2
0
тием альтернативных процессов генерации вос-
0 1 2 3 4 становленных газов, которые контролируются
Nорг, мг/г с.о.
не ингибирующими друг друга бактериальными
4.0 консорциумами (Гарькуша, Федоров, 2014). Это,
Nорг, мг/г с.о.
прежде всего, процесс образования сероводоро-
2.0
да с участием гнилостных бактерий (Федоров
и др., 2004а). Определенный вклад в генерацию
0.0
0 10 20 30 40 сульфидной серы может вносить гидролиз древе-
Сорг, мг/г с.о. сины, затопленной в зонах впадения рек, а также
(б) деструкция сульфатного лигнина, поступившего
30 26.8
в озеро Байкал при производстве целлюлозы на
С/N
15 14.3 БЦБК (Гарькуша, Федоров, 2014). По всей види-
9.8 11.9 10
6.5
9.3 8 мости, некоторое количество сероводорода (до
3.9 7.5 5.5
0 2.9 11%, по данным Леин, Иванова, 2009; Jorgensen
Район впадения
в озеро р. Селенги
Северный район Южный район озера, Южный район озера, et al., 2001) в условиях восстановленных осадков
озера зона БЦБК фоновые участки
может образовываться сульфатредуцирующими
30 26.8
26.3
бактериями синхронно с процессом окисления
метана анаэробными метанотрофными архея-
С/N
16.0 14.6
15
7.3 8.4 10.3 11.2 ми, филогенетически близкими к метаногенам
2.9 5.3 6.8 8.1
0 (Boetius et al., 2000), что также будет способство-
Песок
слабоалевритистый,
Алеврит
песчанистый и
Алеврит глинисто-
песчанистый и
Алеврит
глинистый
вать усилению связи между концентрациями ме-
алевритистый и сильнопесчанистый песчано-глинистый тана и сульфидной серы.
сильноалевритистый
Рис. 4. Зависимости между концентрацией Nорг
Ряд станций, характеризующихся высокими
и концентрациями метана, сульфидной серы и Сорг концентрациями метана (станции №№ 405, 406,
(а) в отложениях исследованных районов озера 412 и 25) и сульфидной серы (станции №№ 406,
Байкал, а также изменение величины отношения 412, 415, 22, 81 и 103), при относительно большой
Сорг/ Nорг в зависимости от района исследования и доли песчаных частиц и невысоком содержании
литологических типов донных отложений (б) (по Сорг, существенно отклоняются от линий, ап-
данным 2015 г.). проксимирующих все описанные зависимости.
Поэтому при представлении зависимостей на
нейной связью между данными показателями рисунках 2а, 3б, 4а и при расчете коэффициентов
(рис. 3б). Это указывает на сопряженные про- корреляции, приведенных в табл. 2, эти станции
цессы их генерации, особенно интенсивной на не учитывались. Повышенные содержания дан-
участках постоянного антропогенного давления, ных показателей, несмотря на относительно не-
каковыми являются районы впадения некото- высокие значения Сорг, могут быть обусловлены
рых рек и зона подводного сброса сточных вод большей лабильностью органического вещества
закрытого БЦБК. На таких участках происходит в отложениях этих станций, приуроченных в ос-
накопление повышенного количества органиче- новном к зонам впадения рек и сброса сточных
ского вещества, а также сульфатов (Гоман, 1975;
вод БЦБК, а для сульфидной серы – также и вы-
Федоров, 1999), что нивелирует конкурентные
сокими концентрациями сульфатов.
взаимоотношения между сульфатредуцирующи-
ми и метанобразующими бактериями за облада- По данным Лимнологического института АН
ние питательными субстратами (Winfrey, Zeikus, СССР (Государственные доклады …, 2004–2015),
1977; Кузнецов и др., 1985; Федоров и др., 2007). среднее содержание сульфидной серы в отложе-
Обнаружение таких же тесных прямолинейных ниях Северного Байкала с конца 50-х и в 60-е
зависимостей между концентрациями сульфид- годы прошлого века было на уровне 0.06 мг/г
ГЕОХИМИЯ №4 2019436 ГАРЬКУША и др.
с.о., в Южном Байкале несколько меньше – до согласуется с результатами наших исследований
0.05 мг/г. По данным исследований, проведен- (см. выше).
ных в конце 70-х годов в Южной и Северной
В табл. 3 приведен ряд имеющихся к настоя-
акваториях озера (Лазо, 1980), концентрация
щему моменту данных по концентрациям метана
сульфидной серы, которая была представлена
в донных отложениях озера Байкал. Как видно
в основном коллоидным сульфидом железа –
гидротроилитом, варьировала в пределах 0.01– из таблицы, максимальные концентрации газа
1.03 мг/г (в среднем 0.10 мг/г), с максимальными в отложениях приурочены к зоне впадения реки
значениями в отложениях Северной котловины. Фролихи в одноименную губу, расположенную
В периоды исследований, проведенных Иркут- в северной части озера, несколько меньшие –
ским УГМС с 2000 по 2014 гг. (Государственные к зонам впадения рек Верхней Ангары и Киче-
доклады…, 2004–2015), максимальные концен- ры. Это обусловлено накоплением органиче-
трации сульфидной серы также наблюдались ского вещества в таких зонах, что благоприятно
в отложениях Северного района озера – от 0 до для протекания метаногенеза и сульфатредук-
0.54 мг/г (в среднем за период с 2000 по 2014 г. ции (Намсараев и др., 1995а, б; Федоров и др.,
до 0.11 мг/г). Несколько меньшие концентра- 1997; 2007).
ции были характерны для района сброса сточ- Отдельно можно отметить аномально высо-
ных вод БЦБК – от 0 до 0.24 мг/г (в среднем до кую концентрацию метана (112 мл/дм3) в донных
0.07 мг/г) и района впадения реки Селенги – от 0 отложениях глубоководной зоны Южной котло-
до 0.26 мг/г (в среднем до 0.05 мг/г). По данным вины озера (станция «Посольская Банка»), за-
нашей экспедиции, проведенной в сентябре фиксированную в 50 см от поверхности дна, что
2014 г., концентрация сульфидной серы в дон- связано с близким залеганием газовых гидратов
ных отложениях изменялась в пределах 0.005– (Павлова и др., 2014). Здесь же, в газонасыщен-
0.19 мг/г (в среднем 0.02 мг/г), с максимальными ных отложениях над газогидратсодержащими
значениями в Северном районе озера (в среднем илами до глубины 40–50 см сохранялась за-
0.06 мг/г) и минимальными – в районе сбро- метная активность сульфатредуцирующих бак-
са сточных вод БЦБК (в среднем 0.01 мг/г), терий, в то время как на мелководных станци-
что в целом согласуется с данными Иркутского ях активная сульфатредукция ограничивалась
УГМС за этот период. Следует отметить, что, 5–15-сантиметровым горизонтом (Пименов
начиная с 2013 года, методика определения со- и др., 2014). В поверхностных горизонтах отло-
держания сульфидной серы в отложениях озера жений данной станции концентрация метана за-
Байкал Иркутским УГМС была усовершенство- метно снижается и мало отличается от его содер-
вана и стала идентичной методике, применяе- жания в донных отложениях, расположенных
мой авторами в ходе исследований в 2014 и 2015
вне зон нахождения газогидратов (табл. 3).
годах. Построенная авторами настоящей статьи
по средним за 1989–2014 годы данным, приве-
денным в работах (Государственные доклады …, ЗАКЛЮЧЕНИЕ
2004–2015), зависимость между содержаниями В период исследований в 2014 и 2015 гг., как
Сорг и сульфидной серы в отложениях озера Бай-
и в предыдущие годы наблюдений, максималь-
кал (рис. 5) указывает на отчетливую связь между
ные концентрации метана в донных отложе-
данными компонентами (r = 0.54, P < 0.01), что
ниях озера Байкал были характерны для север-
0.12 ного района, куда впадают воды рек Верхней
Ангары, Кичеры, отдельных станций профиля,
ΣН S, мг/г c.о.
0.10
0.08
проложенного вдоль устьевой зоны реки Се-
0.06
ленги, а также станций, расположенных в зоне
подводного выпуска сточных вод г. Байкальска
2
0.04
и БЦБК, закрытого в 2013 году. Это связано с ак-
0.02
тивным поступлением органического вещества
0 в донные отложения таких зон, и его последую-
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Сорг, мг/г с.о. щим разложением до субстратов, используемых
метаногенными археями. Сопоставление рас-
Рис. 5. Зависимость между содержаниями Сорг
и сульфидной серы в отложениях озера Байкал, по- пределения концентраций метана и сульфид-
строенная по средним за 1989–2014 годы данным, ной серы свидетельствует об активной сульфа-
приведенным в работах (Государственные докла- тредукции на тех же станциях, где фиксируются
ды …, 2004–2015). и наиболее высокие концентрации метана, что
ГЕОХИМИЯ №4 2019МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА 437
Таблица 3. Обобщенные данные по концентрации метана в донных отложениях озера Байкал (мкл/дм3
влажного осадка)
Дата отбора проб
Район отбора проб 1 1,2
07.1988 08.1994 1991–2000 3 07.20124,5 09.20146 09.20156
Северная котловина озера438 ГАРЬКУША и др.
подводного выпуска сточных вод г. Байкальска Леин А.Ю., Иванов М.В. (2009) Биогеохимический
и ныне закрытого БЦБК. цикл метана в океане / Отв. ред. А.П. Лисицын. М.:
Наука, 576 с.
Благодарности
Леин А.Ю., Пименов Н.В., Саввичев А.С., Павлова Г.А.,
Авторы благодарят заведующего лаборатори- Русанов И.И., Миллер Ю.М., Иванов М.В. (2000) Гео-
ей гидрохимии озер Гидрохимического института, химические особенности диагенеза голоценовых от-
к.г.-м.н. С.А. Резникова за любезно предоставлен- ложений в районе архипелага Шпицберген. Океаноло-
гия 40(2), 247–256.
ные данные анализов содержания Сорг, Nорг и грану-
лометрического состава донных отложений. Намсараев Б.Б., Дулов Л.Е., Земская Е.Б., Карабанов
Е.В. (1995а) Геохимическая деятельность сульфатреду-
Источник финансирования цирующих бактерий в донных осадках озера Байкал.
Микробиология 64(3), 405–410.
Работа выполнена при финансовой поддержке
гранта Российского научного фонда (проект №17- Намсараев Б.Б., Дулов Л.Е., Соколова Е.Н., Земская Т.И.
17-01229). (1995б) Бактериальное образование метана в донных
осадках озера Байкал. Микробиология 64(3), 411–417.
Павлова О.Н., Букин С.В., Ломакина А.В., Калмыч-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ков Г.В., Иванов В.Г., Морозов И.В., Погодаева Т.В.,
Аниканова М.Н. (2009) Соединения серы сточных вод Пименов Н.В., Земская Т.И. (2014) Образование угле-
Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (со- водородных газов микробным сообществом донных
став, методы анализа, мониторинг). М.: Научный мир, осадков озера Байкал. Микробиология 83(6), 694–702.
128 с. Пименов Н.В., Захарова Е.Е., Брюханов А.Л., Корнеева
Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. (2014) Метан в воде В.А., Кузнецов Б.Б, Турова Т.П., Погодаева Т.В., Кал-
и донных отложениях устьевой области Северной Дви- мычков Г.В., Земская Т.И. (2014) Активность и струк-
ны в зимний период. Океанология 54(2), 178–188. тура сообщества сульфатредуцирующих бактерий
в осадках Южной котловины оз. Байкал. Микробиоло-
Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. (2010) Метан в устье- гия 83(2), 180–190.
вой области реки Дон. Ростов-на-Дону – Москва: ЗАО
“Ростиздат”, 181 с. РД 52.24.511-2013 (2013) Массовая доля метана в дон-
ных отложениях. Методика измерений газохромато-
Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С. (2013) графическим методом с использованием анализа рав-
Метан как индикатор условий раннего диагенеза новесного пара. Росгидромет, ГУ “Гидрохимический
и экологического состояния водных экосистем. Из- институт”, 19 с.
вестия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия есте-
РД 52.24.525-2011. (2011) Массовая доля сульфидной
ственные науки (6), 78–82.
серы в донных отложениях. Методика выполнения из-
Геодекян А.А., Авилов В.И., Авилова С.Д. (1990) Гео- мерений фотометрическим методом с N,N-диметил-
экологические исследования Байкала. ДАН СССР п-фенилендиамином. Росгидромет, ГУ “Гидрохими-
310(6), 1442–1446. ческий институт”, 26 с.
Гоман Г.А. (1975) Бактериальное восстановление Федоров Ю.А. (1999) Стабильные изотопы и эволюция
сульфатов и окисление сульфидов в грунтах Байкала. гидросферы. М.: МО РФ Центр “Истина”, 370 с.
Гидробиологический журнал 11(5), 18–22. Федоров Ю.А., Никаноров А.М., Гриненко В.А., Кро-
Государственные доклады “О состоянии озера Байкал узе Р. (1992) Первые данные о распределении изотоп-
и мерах по его охране…” в 2003, 2004, …, 2014 гг. Ир- ного состава серы сульфатов в воде озера Байкал. ДАН
кутск: Сибирский филиал ФГУНПП “Росгеолфонд”. 325(4), 814–817.
Гранин Н.Г., Мизандронцев И.Б., Обжиров А.И., Ве- Федоров Ю.А., Гриненко В.А., Устинов В.И. (2004а)
рещагина О.Ф., Гнатовский Р.Ю., Жданов А.А. (2013) Особенности фракционирования изотопов серы
Окисление метана в водной толще озера Байкал. ДАН и кислорода сульфатов озера Большой Тамбукан. Гео-
451(3), 332–335. химия (1), 111–115.
Дагурова О.П., Намсараев Б.Б., Козырева Л.П., Зем- Федоров Ю.А., Никаноров А.М., Тамбиева Н.С. (1997)
ская Т.И., Дулов Л.Е. (2004) Бактериальные процессы Первые данные о распределении содержания биоген-
цикла метана в донных осадках озера Байкал. Микро- ного метана в воде и донных отложениях оз. Байкал.
биология 73(2), 248–257. ДАН 353(3), 394–397.
Кузнецов С.И., Саралов A.E., Назина T.Н. (1985) Ми- Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. (2006)
кробиологические процессы круговорота углерода Влияние природных и антропогенных факторов и про-
и азота в озерах. М.: Наука, 213 с. цессов на распределение концентрации метана в воде
и донных отложениях Ладожского озера. Геоэкология.
Лазо Ф.И. (1980) Геохимия серы в донных отложениях Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология (5),
озера Байкал. Геохимия (1), 109–115. 412–424.
ГЕОХИМИЯ №4 2019МЕТАН И СУЛЬФИДНАЯ СЕРА 439
Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н. (2004б) Jorgensen B.B., Weber A., Zopfi J. (2001) Sulfate reduction
Метан как показатель экологического состояния пре- and anaerobic methane oxidation in Black Sea sediments.
сноводных водоемов (на примере озер Валдай и Ужин). Deep-Sea Res. 48(PI), 2097–2120.
Метеорология и гидрология (6), 88–96. Schmid М., De Batist М., Granin N.G., Kapitanov V.A.,
Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хоро- McGinnis D.F., Mizandrontsev I.В., Obzhirov A.I.,
шевская В.О. (2007) Метан в водных экосистемах. 2-е Wüest A. (2007) Sources and sinks of methane in Lake
изд., перераб. и доп. Ростов-на-Дону – Москва: ЗАО Baikal: A synthesis of measurements and modeling. Limnol.
Oceanogr. 52(5), 1824–1837.
“Ростиздат”, С. 179–230.
Winfrey M.R., Zeikus I.G. (1977) Effect of sulphate on
Япаскурт О.В. (2008) Литология: учебник для студен-
carbon and electron flow during microbial methanogenesis
тов ВУЗов. М.: Издательский центр “Академия”, 336 с. in freshwater sediments. Appl. Emviron. Microbiol. 22(2),
Boetius A., Ravenschlag K., Schubert C., Rickert D., 275–281.
Widdel F., Gieseke A., Amann R., Jorgensen B.B., Witte U., Zemskaya T., Egorov A., Khlystov O., Shubenkova O., Nam-
Pfannkuche O. (2000) A marine microbial consortium saraev B., Chernitsina S., Dagurova O., Kalmychkov G.,
apparently mediating anaerobic oxidation of methane. Grachev M. (2005) Biogeochemical cycles of methane in
Nature 407(5), 623–627. Lake Baikal. Geophys. Res. Abstr. 7, 03994.
METHANE AND SULFIDE SULFUR IN THE BOTTOM SEDIMENTS
OF LAKE BAIKAL
© 2019 D. N. Gar’kusha a,*, Yu. A. Fedorov a, Yu. A. Andreev b,
N. S. Tambieva b, O. A. Mikhailenko b
a
Institute for Earth Sciences, Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
b
Hydrochemical Institute, Rostov-on-Don, Russia
*e-mail: gardim1@yandex.ru
Received: 27.05.2017
Received version received: 20.10.2017
Accepted: 13.11.2017
The paper analyzes data on the distribution of methane and sulfide sulfur concentrations in the upper layer
of the bottom sediments in different areas of Lake Baikal obtained during expeditions in 2014 and 2015. Dur-
ing the study, concentrations of methane and sulfide sulfur in lake sediments varied fromВы также можете почитать
