Закономерности формирования и распределения метана в прибрежных водах Азово-Черноморского бассейна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат географических наук Хорошевская, Виктория Олеговна

• Хорошевская, Виктория Олеговна
• кандидат географических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат географических наук Хорошевская, Виктория Олеговна

Введение.

1. Аналитический обзор гидролого - гидрохимических особенностей устьевых областей рек Азово-Черноморского бассейна.

1.1. Гидрологические особенности устьевых областей рек Азово - Черноморского бассейна.

1.2. Основные гидрохимические закономерности зон смешения речных и морских вод Азово-Черноморского бассейна.

1.3. Особенности аллохтонного органического вещества устьевых областей рек Азово-Черноморского бассейна.

1.4. Основные закономерности седиментогенеза аллохтонного органического вещества в зонах смешения речных и морских вод Азово-Черноморского бассейна.Л г

2. Биогеохимический круговорот органического вещества и метана в водах Азово-Черноморского бассейна.г 23.

2.1. Первичная продукция прибрежных вод Азово-Черноморского бассейна.

2.2. Деструкция органического вещества в прибрежных водах Азово - Черноморского бассейна.

2.2.1. Минерализация органического вещества в водной толще.

2.2.2. Деструкция органического вещества и метаногенез в анаэробной зоне донных отложений.

2.3. Источники и пути формирования метана в речных и прибрежных водах бассейна Азово - Черноморского бассейна.

2.4. Изотопный состав водорода и углерода метана.

3. Пространственно-временная изменчивость содержаний метана воде экосистемы «р. Дон - Таганрогский залив - открытая часть Азовского моря».

3.1 .Материалы и методы.

3.2. Характеристики пространственных распределений содержания метана в воде по профилю нижнее течение р. Дон - Таганрогский залив - открытая часть Азовского моря.

3.3. Характеристики временной изменчивости содержания метана в воде нижнего течения р. Дон и Таганрогский заливе.

3.3.1. Суточная динамика.

3.3.2. Сезонная динамика.

3.4. Закономерности распределения метана в водопроводной воде городских агломераций, расположенных в устьевых областях рек Азово-Черноморского бассейна.

4. Распределение метана в воде Северо-Восточного побережья Черного моря.

4.1 Материалы и методы.

4.2. Характеристики пространственных распределений содержания метана в воде прибрежной зоны Черного моря.

5. Влияние антропогенных и природных факторов на уровни содержания метан в водах Азово-Черноморского бассейна.

5.1. Влияние антропогенных факторов.

5.2. Влияние природных факторов.

5.2.1. Связь метана с органическим веществом.

5.2.2. Связь метана с азотом.

5.2.3. Влияние изменений метеоусловий и гидрологического режима на содержание метана.

5.3. Малые реки района и прибрежные воды Черноморского побережья РФ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности формирования и распределения метана в прибрежных водах Азово-Черноморского бассейна»

Метан (СН4) - простейший представитель подгруппы предельных (метановых) углеводородов. Он играет важную роль в биогеохимическом цикле углерода в гидросфере, атмосфере и земной коре. Основная масса газа рассеяна в осадочных и изверженных породах, в болотах, донных отложениях рек и озёр, прибрежных водах морей и океанов. Интерес к генезису метана вызван не только утилитарными соображениями, но и фундаментальными проблемами, связанными с функционированием водных экосистем, жизнедеятельностью растительных и животных организмов, климатическими изменениями. В глобальном и локальном круговороте углерода, метан - не в полной мере изученная составляющая. Природные воды содержат метан разного генезиса и одновременно являются средой, где происходит его продукция и деструкция. Между донными отложениями, водной тощей и атмосферой происходит постоянный газообмен, который регулируется различными факторами и процессами. Живые организмы принимают активное участие в геохимическом круговороте органического вещества [22], в том числе и метана. Наряду с образованием метана ¡гшШ он может поступать в водоемы и водотоки с болотными водами, хозяйственно-бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными сточными водами. Растворённое аллохтонное органическое вещество - гумус природного (почвенного) происхождения - является трудно разлагаемым, а органика, содержащаяся в растительных останках (детрите), коммунально-бытовых и промышленных сбросах, быстро утилизируется бактериями, что приводит к образованию большого количества продуктов метаболизма. В свою очередь последние утилизируются бактериями - метаногенами, что приводит к существенному возрастанию содержания газа в воде на загрязненных участках по сравнению с естественным фоном.

В последнее время большой интерес вызывает изучение процессов формирования и распределения метана в воде и донных отложений прибрежных районов океанов, морей и устьевых областей рек. В этих зонах в условиях антропогенного пресса происходит смешение органического вещества морского и наземного происхождения, причем на фоне климатических изменений. Происходит масштабное изменение содержания растворённого метана в прибрежных водах окраинных и внутренних морей [7].

Уровни содержания и потоки метана в водных объектах аридной климатической зоны коррелируют с уровнем их трофии, что позволяет говорить о возможности использования «метана» в качестве интегрального показателя экологического состояния водных экосистем. Современное экологическое состояние прибрежных вод Азово-Черноморского бассейна зависит не только от географических особенностей объектов, но так же от степени хозяйственного освоения побережья и водосборных территорий нижних течений рек. Устьевые области рек и приустьевые морские воды являются зонами геохимических барьеров, где происходит смена форм миграции различных веществ, в том числе органических. Вышеизложенное и стало основной предпосылкой к изучению закономерностей образования и распределения содержания метана в прибрежных водах и в нижних течениях рек Азово-Черноморского бассейна.

Ранее считалось, что метан, образованный в водных объектах ишШ, присутствует в воде в незначительных количествах и практически весь подвергается окислительным процессам в водной среде. Разработанный сотрудниками ГУ «Гидрохимический институт» Росгидромета метод определения метана в воде [104] позволил получить новые данные о достаточно больших концентрациях СН4 в воде водных объектов Азово-Черноморского бассейна.

Целью данной работы явилось - исследование закономерностей формирования и распределения метана в прибрежных водах Азово-Черноморского бассейна.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать геоморфологические, гидрологические, гидрохимические и биогеохимические особенности круговорота минерального и органического ства в барьерных зонах «река - море» и «море - суша» как факторов, оказывающих влияние на формирование метана в водах Азово-Черноморского бассейна.

2. Определить основные источники, а также факторы и процессы, контролирующие современный метаногенез в морских и пресноводных экосистемах аридной зоны.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования для выявления роли загрязнения и атрофирования в изменении содержания метана в воде водных объектов.

4. Исследовать закономерности содержания метана в воде по разрезу «река - море», прибрежных водах.

5. Изучить биогеохимические и геоэкологические факторы, влияющие на пространственно-временные закономерности распределения метана в контактных зонах «река — море» и « море -суша».

6. Обосновать возможность использования уровня содержания метана в качестве интегрального показателя экологического состояния водных объектов.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Хорошевская, Виктория Олеговна

Эти выводы хорошо согласуются с данными, полученными сотрудниками Института физики атмосферы АН СССР в 1976 г. В содержании СН4, в атмосфере над Звенигородом расположенном на р. Москва, также были отмечены два максимальных пика: летний (в августе) и весенний (в марте) [35]. Вполне очевидно, что сдвиги пиков обусловлены географическим положением объектов и особенностями погодных условий во время исследований [112].

3.4. Закономерности распределения метана в водопроводной воде городских агломераций, расположенных в устьевых областях рек Азово-Черноморского бассейна. В целях практического применения работы проводились исследования по определению содержания метана в водопроводной воде и воде теплосетей городских агломерациях. В городах и районах Ростовской области существует экологическая напряженность, которая обусловлена повышенной жесткостью, высокой минерализацией, мутностью, а также содержанием марганца и токсических соединений, превышающим нормативные значения в воде р.Дон осуществляется водозабор для г. Ростова-на-Дону [79,136]. Причем мутность водопроводной воды существенно зависит от времени года, что особенно сильно проявляется во время паводка - весной. Важно отметить, что характерной чертой геологического строения этого региона является наличие в покровных отложениях лессовидных суглинков. Они характеризуются тем, что при поступлении в воду диспергируются на множество микроскопических взвешенных и коллоидных частиц, обладающих колоссальной площадью поверхности, что резко повышает способность частиц адсорбировать различные вещества. Кроме того, вместе с глинистыми частицами в водопроводные трубы попадают и осаждаются на их стенках микроорганизмы, которые полностью не уничтожаются хлорированием.

Метан, использованный в качестве показателя экологического состояния водопроводной воды - бесцветный газ без запаха с коэффициентом растворимости в воде 0,033 (при 20°С), относится ко второму классу опасности. Ориентировочно Допустимые Уровни содержания метана (ОДУ) = 2,0 мг/л.

По единичным данным содержание метана в водопроводной воде города Ростова-на-Дону в конце 80-х годов варьировало в пределах от 1,0 до 10,0 мкл/л. К концу 90-х годов содержание метана в водопроводной воде существенно возросло до 7,0-45,5 мкл/л [122,123,126,136]. Для сравнения отметим, что содержание метана в водах бассейна реки Дон варьирует в более широких пределах - от 9,0 до 100,0 мкл/л, а в местах сильного антропогенного воздействия оно повышается до 2000 мкл/л. Содержание метана в водопроводной воде и воде теплоцентрали по районам г. Ростова-на-Дону приведены в табл.13.

Содержание метана в водопроводной воде г. Ростова-на-Дону и ряда других городов России (мкл/л).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Полученные значения содержания метана в воде водных объектов являются интегральным показателем ряда физико-химических и микробиологических процессов, их формирующих. Основным процессом, формирующим средние уровни содержания метана в воде р. Дон и Таганроском залитое, является деструкция органической взвеси (детрита) в водной толще и в донных отложениях.

2. Появление экстремально высоких значений содержания метана в воде водных объектов - следствие антропогенного загрязнения.

3. Геоморфологические условия определяют береговые линии и подводные ландшафты прибрежных морских зон, что, в свою очередь, влияет на размеры и глубины зон смешения речных и морских вод. Вследствие этого геохимическая закономерность резкого снижения содержания метана в воде при значениях солености 1-2 %о, может иметь или пространственное распространение, или вертикальный градиент, совпадающий с градиентами плотности.

4. Суточная динамика в распределении концентраций метана в воде водных объектов показывает преимущественное влияние микробиологических процессов на формирование уровней содержания метана в воде устья р. Дон и Таганрогского залива.

5. Сезонная динамика в распределении концентраций метана в воде зависит от географических и гидрологических факторов. Так, для р. Дон и Таганрогского залива она имеет два максимума, сравнимых по абсолютной величине: зимний, который формируется под влияние физических факторов - наличие ледового покрова служит экраном для накопления газа в поверхностном горизонте воды и дальнейшей эмиссии в атмосферу при вскрытии ледового покрова; летний, который обусловлен созданием благоприятных условий - наибольшим прогревом воды для усиления мик-робиологичеких процессов.

6. Устьевые участки рек и морские побережья являются зоной активного антропогенного загрязнения, поступающего главным образом с суши вместе с речным стоком. В этих зонах происходит деструкция основной массы легкоокисляемого органического вещества и образование больших объёмов метана. Здесь же происходит осаждение в донные отложения основной массы аллохтонного растворимого труд-ноокисляемого органического вещества почвенного происхождения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Хорошевская, Виктория Олеговна, 2010 год

1. Алекин O.A., Моричева Н.П. Стабильность карбонатного равновесия речной воды на примере р. Дон // Гидрохимические материалы, Л. «Гидрометеоиздат» том XXIX,1959,С.39-54.

2. Артемьев В.Е. Демина Л.Л. Вайнштейн М.Б. Органическое вещество и микроэлементы в водах эстуария р. Кубань и юго-восточной части Азовского моря// Океанология, ,т.22,вып.5, 1982, С.94-98.

3. Артемьев В.Е. Геохимия органического вещества в системе река-море. М. :Наука, 1993.204с.

4. Баренбаум A.A. о возможной связи газгидратов с субмаринными подземными водами//Водные ресурсы, Т.34, №5, 2007, С.620-625.

5. V 8. Биогеохимия океана //Под ред. Монина A.C., Лисицына А.П.- Москва: Наука, 1983, 368с.

6. V 9. Бессонов O.A. Геохимическая история углерода в биосфере.- г. Ростов-на-Дону: Изд-во «МП Книга», С. 1996,164 с.

7. Бронфман A.M., Макарова Г.Д., Романова М.Г. Современные климотообусловленные изменения количественного и качественного состава органического вещества Азовского моря // Изв. АН СССР. Сер.геогр.,1973,№6, С.39-48.

8. Бронфман A.M., Хлеюников Е.П. Азовское море: основы реконструкции.-JI.: Гидрометеоздат, 1985. -271 с.

9. Воейков А.И. Климаты земного шара, в особенности России. : Избр.соч. М.; JL, 1948,Т. 1,С. 161 -748.

10. Винберг Г.Р. Интенсивность обмена и пищевые потребности рыб // Гидробиологический журнал, 1965, т.1, №1,С.15-19.f21. Винберг Г.Р. Первичная продукция морей и внутренних вод.- Минск, 1962, 89с.

11. V1 22. Вернадский В.И. Живое вещество.- Москва: Наука, 1978,422с.

12. V23. Волков И.И. Химические элементы в речном стоке и формы их поступления в море (на примере рек Черноморского бассейна). В кн.: Проблемы литологии и геохимии осадочных пород и руд», М., Наука, 1975, с.85-113.

13. Вольвач Ф.В. Водно-почвенная миграция углерода в ландшафтах южной лесостепи // Физическая география и геоморфология. Киев, Изд-во: при Киевском универ. «Вшца школа», 1979, вып.22,С.62-67.

14. V 25. Галимов Э.М. Метанообразование в морских осадках в зоне сульфатредукции. //ДАН,1995, Т.342, №2, С.219-222.

15. Гордеев В.В. Речной сток в океан и черты его геохимии. М, Наука, 1983, 160 с.v/31. Гордеев В. В. Черты геохимии речного стока в океане // Литология и полезные ископаемые, 1984, №5, с.29-50.

16. Дацко В.Г. Органическое вещество в водах южных морей СССР М.1959, 271с.i 33. Дацко В.Г. Растворённое органическое вещество и накопление его в осадочных толщах // ДАН СССР, 1948, т.59, С.523-525.

17. Дацко В.Г., Гусейнов М.М. О выносе биогенных элементов и органических веществ р.Дон в Азовское море после зарегулирования её стока.//Гидрохим. Мате-риалы.-1960.-Т.30.-С.96-105.

18. Качество поверхностных вод Российской федерации. Ежегодник 1996 СПБ: Гидрометеоиздат 1997, 317с.

19. Качество поверхностных вод Российской федерации. Ежегодник 1997- СПБ: Гидрометеоиздат 2001, 336с.

20. О 46. Качество поверхностных вод Российской федерации. Ежегодник 1998- СПБ: Гидрометеоиздат 2001, 335с.

21. Х/47. Качество поверхностных вод Российской федерации. Ежегодник 1999, г. Ростов-на-Дону, Гидрохимический институт Росгидромета. СПБ: Гидрометеоиздат 2002, 371с.

22. Качество поверхностных вод Российской федерации. Ежегодник 2000,г. Ростов-на-Дону, Гидрохимический институт Росгидромета. г. Ростов -на-Дону, 2000, 226 с.

23. Качество поверхностных вод Российской федерации. Ежегодник 2003, г. Ростов-на-Дону, Гидрохимический институт Росгидромета. СПБ: Гидрометеоиздат 2005, 425с.

24. Качество поверхностных вод Российской федерации. Ежегодник 2008, г. Ростов-на-Дону, Гидрохимический институт Росгидромета.- г.Ростов-на-Дону, Изд-во: ООО «Вираж», 2009, 494с.

25. Материалы XVIII Международной научной конференции (школы) по морской геологии. Москва, 2009, Т.Ш, С. 80-83

26. Лейте В. Определение органических загрязнений питьевых природных и сточных вод.-М.: Химия, 1975.-199с.

27. Линник П.Н. Формы миграции тяжелых металлов в пресных поверхностных водах водах. Л.: Гидрометиздат, 1986, 272с.

28. Лурье П.М. Водные ресурсы и водный баланс Кавказа СПб.; Гидроме-тиоздат,2003.-506с.

29. Максимова М.П. Баланс органического вещества внутриматериковых морей // Тез.докл. 6-й науч. конф.по химии моря. М.,1972,С.6-9.

30. Мотылёв С.К. О микробах окисляющих нефть // Химия и жизнь XXI век, 1999, С.24-25.

31. Лапин И.А., Аникеев В.В, Винников Ю.Я. ,Тамбиева Н.С., Шумилин E.H.

32. JlO. Монченко E.O. Микробиология и гидробиология сточных вод (учебное пособие). г. Новочеркасск, Ред.-изд. отдел Политехнического института, 1974, 201с.

33. Назина Т.Н. Анаэробная микрофлора терригенных нефтяных пластов // Афтореф. дисс. на соисконие уч. степ.канд.биол.наук.-М. .ИНМИАНСССР, 1983,24с.

34. Назина т.А. Сообщества метанобразующих бактерий из нефтяных пластов Апшерона//Микробиология, 1984,Т.53,№1,С. 149-155.j 73. Никаноров A.M., Трунов Н.М. Внутриводоёмные процессы и контроль качества природных вод. СПб. :Гидрометеоиздат, 1999,155с.

35. Ножевникова А.И., Некрасова В.К., Лебедев B.C. Образование и окисление метана микробной популяцией осадков иловых чеков при низких температурах// Микробиология,1999,Т.68,№2, С.267-272. M 75. Океанология. Химия океана.-М.: Наука, 1979, Т.1, 518 с.

36. Основные проблемы рыбного хозяйства и охраны рыбохозяйственных водоёмов Азово-Черноморского бассейна / Сборник научных трудов (20062007гг.).- Ростов-на-Дону: ООО «Диапазон»,2008г.-440с. V77. Перельман А.И. Геохимия биосферы. -М.НаукаД973,331с.

37. Почвы классификация и диагностика. Сев. Кав. науч. центр высшей школы. : Отв. ред. В.Ф. Вальков Ростов-на-Дону: СЬСНЦ ВШ, 2002,168с. \j 79. Природные условияи естественные ресурсы. Южный округ. Ростовская область.- Ростов-на-дону: Изд. РГУ,2002.-430с.

38. Пырина И.Л., Феоктистова О.И. Сб. Экология и физиология синезелёных водорослй. -М-Л, 1965.

39. V81. Родина А.Г. Тр. ЗИН АН ССС т.ХХХП, Вопр. Гидробиологии -М.,1965

40. Рожков Ю.Ф. Оценки метаболизма соединений углерода в водных экосистемах (радиоуглеродным методом) // Автореферат дисс. на соискание уч. степ. канд. хим. наук, Ростов-на-Дону, 1987, 24с.

41. Nf 83. Романкевич Е.А. Геохимия органического вещества в океане. -М.:Наука,1977, 256с.

42. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения (утвержденные Гл. гос. сан. врачем России Кондрусевичем от 04.07.88, №.4630-88, введенные с 1.01.89г.) М., 1988.

43. Скопинцев Б.А. Формирование современного химического состава вод Черного моря. JL; Мз-во «Госгеолтехиздат»,1975.

44. Скопинцев Б.А. Органическое вещество в природных водах (водный гумус) //Тр. ГОИНА, вып. 17(28). Л.Дидрометеоиздат, 1950,290с.

45. Скопинцев Б.А. Органическое вещество в воде океанов // В кн: Успехи советской океанологии,- М.Наука,1976.

46. J 94. Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир Микробов. М.: Изд-во «Мир», TomI, 1979,318 с.

47. Федоров Ю.А. Стабильные изотопы и эволюция гидросферы. -М.:МО РФ Центр «Истина», 1999, 370с.у. 99. Фёдоров Ю.А., Беляев А.Г. Биогенные вещества в зоне смешения река Дон -Азовское море.- Ростов н/Д ЩНДЦ «ИнфоСервис»,2004,108с.

48. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О.,

49. Кизицкий P.M. Теоретические аспекты связи метаногенеза с загрязнением воды идонных отложений веществами неорганической и органической природы // Изв.

50. ВУЗов. Северо-Кавказский регион, сер. Естественные науки, № 4, 2000, С.68-73. -о

51. 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, 82с.

52. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О. Метан в водных экосистемах. Ростов-на-Дону - Москва: Изд-во ЗАО «Ростизат»,2005, 329с.у/105. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Хансиварова Н.М., Кизицкий P.M.,

53. Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Хорошевская В.О., Гарькуша Д.Н., Денисов

54. Федоров Ю.А., Хорошевская В.О. Метан, ртуть и сероводород в воде и донных отложениях северо-восточного побережья Черного моря // Изв. ВУЗов. Северо-Кавказский регион, сер. Естественные науки, № 5, 2009, С. 132-135.

55. Федоров Ю.А. Хорошевская В.О. О возможностях использования метана, как показателя качества водопроводной воды и состояния водопроводной сети // Тр. межд. конф.: «Градоформирующие технологии XXI века». М.: НИЦ «Инженер», 2001, С. 159-162.

56. Хорошевская В.О. Экологический мониторинг и диагностика городского хозяйства (на примере г. Ростова-на-Дону) // Сб. Tp.IV научн.-практ. Конф.

57. J 129. Хрусталёв Ю.П. Закономерности осадконакопления во внутриконтинентальных морях аридной зоны. JL: Наука, 1989.-267 с.

58. Хрусталёв Ю.П. Основные проблемы геохимии седиментогенеза в Азовском море.- апатиты: изд-во КНЦ РАН, 19999, 247с.

59. Цурикова А.П., Шульгина Е.Ф. Гидрохимия Азовского моря. Л., ГидрометеоиздатД 964,258 с.

60. Цыцарин А.Г., Лобов А.Л., Полякова А.В. Морские геохимические барьеры. (Литературный обзор и экспериментальные исследования физико-химических барьеров) // Деп. в ВИНИТИ 02.11.94, № 2487- В-94, Москва, 1994, 33с.

61. Шишкин В.М. Закономерности формирования зон смешения речных и морскихвод в Азовском море в связи с его рыбопродуктивностью// рациональное использование и охрана природных ресурсов бассейнов Черного и Азовского морей.- Ростов-на-дону, 1988., С.26-29.

62. J136. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2006г.» //Докл. Комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов администрации Ростовской области. г. Ростов-на-Дону, 2007,136с.

63. Л39. Christman R.F. Chemical structures of color producing organic substances in water.-In: Organicmutter in natural water, Univ.Aiaska. Inst. Mar,Sei.,Occas.publ. №1,1970, P.181-198.

64. Christman R.F., Minear R.A. Organic compounds in aquatic environments. Marcel Deccer, 1971, P. 119-143.

65. Duursma E.K. Dissolved organic carbon nitrogen and prosphorus in sea I I Netherlands J. of Sea Res., vol.1,1961, P.l-148.

66. V146. Pravdie V. Surface charge characterization of sea sediments // Limnol and Oceanogr., 1970, vol.15, № 2, P.230-233.

67. J 147. Neihof .A.,Loeb G.I. The suface charge of particulate matter in seawater// Limnol and Oceanogr., 1972, vol.17, № 1, P.7-16.