Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микробные процессы сульфатредукции, метаногенеза и метанокисления в донных осадках российского сектора Балтийского моря

ВАК РФ 03.02.03, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Микробные процессы сульфатредукции, метаногенеза и метанокисления в донных осадках российского сектора Балтийского моря"

На правах рукопи

005061046

Канапацкий Тимур Александрович

МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ СУЛЬФАТРЕДУКЦИИ, МЕТАНОГЕНЕЗА И МЕТАНОКИСЛЕНИЯ В ДОННЫХ ОСАДКАХ РОССИЙСКОГО СЕКТОРА БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

03.02.03 — микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

>Л13

Москва-2013

005061046

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт микробиологии им. С. Н. Виноградского Российской академии наук (ИНМИ РАН)

Научный руководитель: доктор биологических наук

Пименов Николай Викторович

Официальные оппоненты: Горленко Владимир Михайлович

доктор биологических наук, профессор, ИНМИ РАН, заведующий лабораторией экологии и геохимической деятельности микроорганизмов

Косолапое Дмитрий Борисович

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Ведущая организация: Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет

Защита состоится «24» июня 2013 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д002.224.01 при ИНМИ РАН по адресу: 117312, Москва, пр-т 60-летия Октября, д. 7, корп. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНМИ РАН.

Автореферат разослан « » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Хижняк Т.В.

Актуальность проблемы. Известно, что микроорганизмы циклов углерода и серы играют ключевую роль в процессах диагенетического преобразования морских осадков. В результате микробной жизнедеятельности происходит образование С02, СН4, H2S, других восстановленных соединений серы, которые оказывают существенное влияние на процессы диагенеза. Масштабы микробного образования восстановленных соединений серы и биогазов зависят, главным образом, от величины потока органического вещества (OB) из водной толщи в осадочные отложения [Иванов, 1983].

Балтийское море — мелководный мезотрофный бассейн, характеризующийся сложным строением водной толщи. В результате контакта поверхностных вод речного стока, с более солеными глубинными водами, поступающими из Северного моря, в Балтийском море формируется стратификация, препятствующая циркуляции вод. Наличие на дне порогов и впадин так же мешает перемешиванию вод, вследствие чего возникают застойные явления с появлением H2S и других восстановленных соединений. Осложняет циркуляцию вод и термоклин, формирующийся весной и разрушаемый осенними штормами [Экосистемы Балтики..., 1987].

В первой половине XX века Балтийское море было олиготрофным водоемом, а к концу 60-х годов под влиянием эвтрофикации произошел переход к мезотрофному уровню и этот процесс продолжает развиваться. В последние десятилетия средняя величина первичной продукции в Балтийском море составляет 188 гС/(м2 год), в Рижском заливе и Датских проливах достигает 200 гС/(м2 год) [HELCOM, 2006], а в российском секторе юго-восточной части Балтийского моря - 231 гС/(м2 год) [Кудрявцева и др., 2012]. Высокая продуктивность Балтийских вод в сочетании со значительным поступлением аллохтонного OB способствует протеканию в осадочных отложениях интенсивных микробных процессов его трансформации.

Микрофлора донных отложений и результаты ее геохимической деятельности в Балтийском море до 70-ых годов практически не изучались, если не считать определения численности сульфатредуцирующих бактерий (СРБ) в воде и осадках трех станций Кильской бухты [Schneider, 1977], определения там же химического и изотопного состава соединений серы [Hartman, Nielson, 1969]. Было известно несколько измерений общей серы в различных осадках Балтийского моря. Имеется также информация о содержании Сорг[Горшкова, 1962; Геология..., 1976].

Первые масштабные исследования скоростей ключевых микробных процессов терминальной фазы разложения OB (сульфатредукции (СР), метаногенеза (МГ) и окисления метана (ОМ)) в осадках открытого моря, в Рижском заливе, в илах Готландской и Арконской впадин, были выполнены в 70-80-ые годы прошлого столетия под руководством М.В. Иванова [Lein et al., 1981; Леин и др., 1982а, б].

В 70-ые годы сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР впервые были обнаружены аномалии в распределении углеводородных газов в придонных водах Балтийского моря [Геодекян и др., 1979]. Показано, что повышенное содержание метана в придонных слоях водной толщи, определяется разгрузкой газосодержащих флюидов, локализация которых приурочена к специфическим

геоморфологическим структурам дна (углубления, кратеры и т.д.). Позднее подобные метановые кратеры (покмарки) с характерными газонасыщенными осадками (ГНО) и повышенным содержанием метана в придонной воде были выявлены в различных районах Балтийского моря в пределах Гданьской [Блажчишин и др., 1987], Арконской и Готландской впадин [Блажчишин, 1998; Геоакустические и газо-литогеохимические..., 1990; Геохимия вод...,1997]. Европейские ученые также исследовали покмарки в заливе Экернфьорде, в Кильском заливе, в Северной Балтике, в Борхольмском бассейне [Werner, 1978; Whiticar, 1978; Soderberg, Floden, 1992]. Однако, до сих пор в российском секторе Балтийского моря не проводилось систематических исследований состава и активности микробного сообщества донных осадков, приуроченного к зонам покмарков и геоакустических аномалий.

Значительный теоретический и практический интерес представляет изучение полузакрытых, отделенных от моря водоемов - лагун, лиманов. Мелководные районы в первую очередь принимают на себя антропогенную нагрузку густонаселенных побережий [Wulff et al., 1990], а их эвтрофирование во многом зависит от интенсивности водообмена с морем. Такими объектами в Балтийском море являются мелководные заливы (2-6 м) - Куршский и Вислинский. Куршский залив в большей степени, чем Вислинский подвержен влиянию речного стока, поскольку основное количество (87%) терригенного материала поступает с речным стоком. Тогда как в Вислинском заливе на речной сток приходится не более 58% поставляемого в водоем терригенного материала. Поэтому соленость в Вислинском заливе в среднем составляет 3,8%о, а южная часть Куршского залива является практически пресноводной.

Долгосрочный мониторинг изменения содержания хлорофилла, биогенных элементов, биомассы фитопланктона в сочетании с измерением первичной продукции и минерализации OB в Куршском и Вислинском заливах позволил C.B. Александрову отнести Куршский залив к гипертрофному водоему, а Вислинский залив - к эвтрофному [Aleksandrov, 2010].

Выполненные ранее исследования дают основание полагать, что в осадках Куршского и Вислинского заливов протекают активные микробные процессы деструкции OB. Однако до настоящего времени микробиологические и газогеохимические исследования осадочных отложений российских частей Куршского и Вислинского заливов не проводились.

Цель и задачи исследования. Целью нашей работы было проведение микробиологических и биогеохимических исследований активности микроорганизмов в осадочных отложениях российского сектора Балтийского моря.

Для достижения этой цели нами были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать физико-химические характеристики осадочных отложений выбранных районов, а также определить содержание метана в илах и придонной воде.

2. Определить общую численность микроорганизмов и скорости ключевых микробных процессов: метанокисления, метанобразования и сульфатредукции в донных осадках.

3. Изучить состав микробного сообщества донных осадков покмарков Гданьской впадины молекулярно-биологическими методами.

4. На основании результатов измерения скоростей микробных процессов и данных изотопного состава углерода (813С) метана и углекислоты оценить геохимическую роль сульфатредуцирующих, метанобразующих и метанокисляющих микроорганизмов в процессах круговорота углерода и трансформации основных биогенных газов - сероводорода и метана в газонасыщенных голоценовых осадках Балтийского моря.

Научная новизна работы. Установлено, что в осадках покмарков Гданьской впадины содержание метана, численность микроорганизмов и интенсивность микробных процессов существенно выше, чем в илах, отобранных вне этой зоны. Анализ данных интегральной скорости сульфатредукции (СР) в горизонте осадков 030 см показал, что средняя величина образования восстановленных соединений серы за счет разложения ОВ, поступающего из водной толщи в период наших исследований составила 5,2 ммоль/(м2 сут). В осадках покмарков, характеризующихся повышенным содержанием метана, заметный вклад в образование восстановленных соединений серы (до 70%) вносит процесс анаэробного окисления метана.

Результаты изучения изотопного состава углерода метана 513С-СН4 (-68 -84%) осадочной толщи покмарков свидетельствуют о его биогенном происхождении. Однако низкие скорости метаногенеза, выявленные до глубин опробования ила (160200 см), указывают на то, что биогенный метан мигрирует из глубинных слоев осадочного чехла.

В отличие от Гданьской впадины, в Выборгском заливе Балтийского моря кратерообразные структуры не связаны с газовыделением, а образовались, по-видимому, вследствие разгрузки подземных вод. Газонасыщенные осадки залива формируются в результате высокой активности современных процессов метаногенеза.

Впервые проведены микробиологические и газо-геохимические исследования в Вислинском и Куршском заливах. В осадках более соленого Вислинского залива интегральные скорости сульфатредукции были выше, чем в осадках Куршского залива. Меньшее содержание сульфатов и их быстрое исчерпание в поровых водах осадков Куршского залива по сравнению с Вислинским, способствует активизации процесса МГ, интенсивности которого в илах Куршского залива были заметно выше.

Проведены молекулярно-биологические исследования состава микробного сообщества восстановленных осадков покмарка Гданьской впадины. Детекция функционального гена, кодирующего а - субъединицу метил-коэнзим М редуктазы у метанотрофных архей показала, что в осадках исследованного нами покмарка Гданьской впадины обнаружены представители двух групп метанотрофных архей АЬ'МЕ-1 и АКМЕ-2. Большее количество полученных последовательностей группы АКМЕ-1 может указывать на доминирование микроорганизмов этой группы в газонасыщенных осадках покмарков Гданьской впадины.

Практическая значимость работы. Полученные данные по скоростям микробных процессов необходимы для моделирования динамики метана в

з

Балтийском море в прошлом (Голоценовый период), настоящем и будущем (с прогнозом возможных сценариев). Результаты проведенной работы включены в европейскую базу данных районов скопления газа, созданную в рамках проекта BONUS. Эти данные стали основой разработки динамической модели процессов продукции и трансформации газов в Балтийском море в голоцене и прогнозирования возможных сценариев последствия изменения климата в XXI веке. Проведенные исследования расширяют фундаментальные знания о микробных сообществах и процессах, протекающих в голоценовых морских осадках и осадках покмарков.

Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены на 9-ой международной конференции «Газ в морских осадках (Германия, 2008); на международной конференции «Комплексное управление, индикаторы развития, пространственное планирование и мониторинг прибрежных районов Балтики» (Россия, 2008); на международной конференции «Балтийский газ» в рамках Европейской программы BONUS (Германия, 2009); на международной конференции «Геологические и биогеохимические процессы на холодных сипах - особенности современных и ископаемых систем» (Болгария, 2009); на 10-ой международной морской геологической конференции «Геология Балтийского моря - 10» (Россия, 2010); на 10-ой и 11-ой международных конференциях «Газ в морских осадках» (Россия, 2010; Франция, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей и 8 тезисов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов, изложенных на страницах машинописного текста и содержит 24 таблиц, 37 рисунков и список литературы из 318 наименований, из них 95 отечественных и 223 иностранных работ.

Место проведения работы. Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории микробиологии и биогеохимии водоемов в рамках плана научно-исследовательских работ ИНМИ РАН по теме «Изучение микробиологических и биогеохимических процессов циклов углерода и серы в водной толще и донных осадков водоемов» (Госрегистрация № 01200950958), а также при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 07-04-00160, № 10-04-00220 и РФФИ-БОНУС-08-04-92422).

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н. Н.В. Пименову и академику М.В. Иванову за внимание, поддержку и неоценимую помощь в формировании целостных представлений о геохимичесмкой роли микроорганизмов в морских водоемах. Автор благодарит канд. биол. наук И.И. Русанова за помощь в освоении методик и получении радиоизотопных данных, Т.С. Прусакову за определение изотопного состава углерода метана и карбонатов, канд. биол. наук О.В. Шубенкову (ЛИН СО РАН) и А.Ю. Меркеля за проведении молекулярных исследований, канд. биол. наук A.JI. Брюханова за помощь в освоении метода FISH, коллег лаборатории биогеохимии и микробиологии водоемов за помощь в освоении методик и ценные советы при обсуждении полученных данных, а также сотрудников ИНМИ РАН за отзывчивость и помощь. Особую благодарность

4

автор выражает коллективу сотрудников Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН под руководством канд. геол.-минер, наук В.В. Сивкова, и сотрудникам ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского кандидатам геол-минер. наук А.Г. Григорьеву и В.А. Жамойда за неоценимую помощь при проведении экспедиционных исследований, выборе точек пробоотбора, отборе образцов воды и донных осадков, литологическом описании колонок и обсуждении полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе исследовали микробные процессы в осадках российского сектора Гданьской впадины и мелководных районов Куршского, Вислинского и Выборгского заливов Балтийского моря.

На основании детального геоакустического зондирования в российском секторе Гданьской впадины были выбраны три основных района исследований. Осадки первого района представляли собой типовые илы глубоководной части Гданьской впадины. Второй район располагался в пределах типовых илов и определялся наличием геоакустических аномалий - результата рассыпания акустического сигнала, связанного с высокой газонасыщенностью илов. Третий район, в илах которого присутствовали геоакустические аномалии, был приурочен к зонам локальных понижений дна - покмарков (рис. 1). Их образование в глубоководной зоне Гданьской впадины связывают с газопроявлением [Геохимия..., под ред. Емельянова, 1986].

Для детального исследования образцов воды и донных осадков был выбран покмарк (ПМ), горизонтальные размеры которого составили 800x400 м, а глубина - от 1 до 3 м ниже уровня дна (рис. 2).

Исследования донных осадков российского сектора Гданьской впадины Балтийского моря проводились в 5 экспедициях: 87-го, 90-го, 95-го и 103-го рейсов НИС «Профессор Штокман» и 74-го рейса НИС «Шельф».

В Выборгском заливе исследования проходили на НИС «Ладога» в июле 2009 г. совместно с сотрудниками ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского; в Куршском и Вислинском мелководных балтийских заливах - на маломерных судах АО ИО РАН в июле 2011 г.

Выбор станций в исследованных районах Выборгского, Вислинского и Куршского заливах залива основывался на результатах геоакустического анализа, проведенного непосредственно в ходе экспедиции (рис. 3, 4), а также по данным предыдущих исследований ВСЕГЕИ и АО ИО РАН.

В Выборгском заливе, наряду с газонасыщенными осадками, исследовалась также кратерообразная структура, имеющая форму правильной окружности диаметром 5-10 м и расположенная на глубине 25-30 м.

-1-г

20-0'сге 21"0'0"Е

Рис. 1. Схема расположения станций пробоотбора в российском секторе Гданьского бассейна Балтийского моря: 1 - станции пробоотбора; 2 - государственные границы; 3 - изобаты, м; 4 -покмарки; 5 - газонасыщенные осадки, 6 - граница распределения илов

Рис. 2. Геоакустический профиль (А-Б) через исследуемый покмарк. На врезке - форма и горизонтальные размеры покмарка, положение геоакустического

профиля (данные промера получены в 90-ом рейсе НИС «Профессор Штокман», октябрь 2007 г.).

щ а р Ш I

й 5 •и Щ' ¡ё

1 V"; } 1 1 Вмв«У

I

\

{ • в: 1 \ \

;

1 #4 1 , 1

1 |\ , ! I ЕЗ-1 1

1 . ~ 1

АЛ / . 1

/финский запив 1 ч <Ж»р«Ю ! ' . |

КР

ЙШ

III

50 м

Рис. 3. Исследованный полигон Выборгского залива Балтийского моря. А: 1 - станции пробоотбора. 2 - заштрихованная область - районы накопления современных глинистых илов. Б: кратерообразная геоморфологическая структура (КР) в районе станции 1, выявленная локатором бокового обзора. В: газонасыщенные осадки (ГНО) по данным сейсмоакустического зондирования в районе 2 и 3-й станций. ГК - гляциальный комплекс. Цифры 2 и 3 показывают местоположение станций пробоотбора.

^ л 1

/•

^ Лк*

Каяичичфза

* няы."

Рис. 4. Расположение станций пробоотбора в Вислинском (ст. 1-4) и Куршском заливах (ст. 5, 7, 8).

Во всех экспедициях отбор и обработку проб осуществляли по единой методике, разработанной в лаборатории микробиологии и биогеохимии водоемов ИНМИ РАН.

Донные осадки отбирали герметичной трубкой типа Ниемисте, а также ударной геологической трубкой, диаметром 7 и 12 см.

Сразу после подъема донных осадков на борт судна, отбирали пробы на газовый, физико-химический и микробиологический анализы, количественное определение скоростей ключевых биогеохимических процессов, измерение изотопного состава углерода (513С) метана, карбонатов поровых вод и органического углерода осадков.

Комплекс исследований включал физико-химические методы. Измерения глубины, солености и температуры воды производили с помощью судового CTD-зонда Mark III Niel Brown Inst. Измерения значений pH и Eh в водной толще и донных осадках производили сразу после поднятия проб на борт судна. Для этого использовали универсальный полевой потенциометр pH 320/Set-l («WTW», Германия) с датчиком температуры и комбинированными pH и Eh электродами.

Содержание в пробах воды кислорода определяли методом Винклера, а также с использованием стандартного набора реактивов фирмы "MERCK" (Германия). Содержание в пробах сероводорода и щелочного потенциала определяли с использованием стандартного набора реактивов фирмы "MERCK" (Германия), S042 -ионообменной хроматографии на жидкостном ионном хроматографе Стайер (Россия), СН4 - газового хроматографа Кристалл 2000 (Россия) с пламенно-ионизационным детектором по методике равновесной дегазации, Сорг и Скар6 - анализатора TOC-Vcph фирмы Shimadzu с приставкой SSM-5000A.

Микробиологические методы. Определение общей численности микроорганизмов в придонной воде и верхних горизонтах осадков проводили эпифлуоресцентным методом на микроскопе Axio Imager.Dl ("Carl Zeiss", Германия).

Радиоизотопные методы. С использованием меченых субстратов: Н14С03" и 14СНзСОО" определяли скорости автотрофного и ацетокластического метаногенеза, 14СН4 растворенного в дегазированной воде - аэробное и анаэробное окисление метана, Н14С03" - бактериальную ассимиляцию углекислоты, 35S042" -сульфатредукцию.

Геохимические методы. Измерение 513С метана, углерода карбонатов поровых вод и Сорг осадков проводили на газовом хроматографе TRACE GC (Германия), совмещенным с масс-спектрометром Delta plus (Германия). Все эксперименты с осадками и водой проводили в первые часы после отбора проб, при температурах близких к «in situ».

Пробы газонасыщенных осадков покмарка Гданьской впадины были исследованы с использованием молекулярпо-биологических методов которые включали FISH, CARD-FISH, молекулярное клонирование и детекцию функционального гена. Методом флуоресцентной гибридизации in situ в осадках определена численность эубактерий и архей (CARD-FISH). Методом FISH были идентифицированы сульфатредуцирующие бактерии в полученнных накопительных культурах.

Состав микробного сообщества определяли методом ПЦР с олигонуклеотидными праймерами на гены 16S рРНК бактерий и архей с последующим клонированием ПЦР-продуктов и секвенированием фрагментов генов 16S рРНК. Филогенетический анализ сходства полученных последовательностей по базе данных GenBank проводили с помощью программы NCBI BLAST [http://www.ncbi.nlm.mh.gov/blast]. Построение филогенетических деревьев производили с помощью метода neighbor Joining, реализованного в пакете программ TREECON W [http://tiocwww.uia.ac.be/u/yvdp/treecon\v.html]. Статистическую достоверность ветвления оценивали с помощью "bootstrap" анализа 100 альтернативных деревьев.

Детекция метанотрофных архей была проведена на основании выявления методом ПЦР в тотальной ДНК, выделенной из осадков покмарка, гена, кодирующего а-субъединицу метил-коэнзим М редуктазы - ключевого фермента процесса метаногенеза и анаэробного окисления метана, с последующим разделением продуктов ПЦР с использованием денатурирующего градиентного гель-электрофореза. Филогенетическое дерево было построено на основе сравнительного анализа фрагментов (140 позиций) аминокислотных последовательностей mcrA, полученных из осадков покмарка Гданьской впадины. Для построения дерева использовался алгоритм neighborjoining и bootstrap анализ 100 альтернативных деревьев.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование осадков Гданьской впадины российского сектора Балтийского

моря

Расположение и гидрологический режим Гданьской впадины способствуют значительному накоплению и осаждению органического вещества различной природы. Согласно предыдущим исследованиям, содержание органического вещества в осадках Бронхольмской, Арконской впадинах, Гданьском бассейне варьировало от 2 до 6%. Максимальные значения ОВ в Готландской и Фарё впадинах достигали 8-9,5 % [Леин и др., 1982; Геохимия..., под ред. Емельянова, 1986; Чечко, 2004]. Наши данные подтвердили высокое содержание ОВ в осадках исследованных районов Гданьской впадины. В поверхностных горизонтах газонасыщенных и типовых осадков содержание Сорг составляло 6,7%, тогда как в осадках ПМ достигало 9%. Такое высокое содержание органического вещества в осадках покмарка, по-видимому, является следствием особенности придонных течений, приводящих к намыву осадочного материала.

Значительные величины Сорг в осадках глубоководной зоны Балтийского моря способствуют активизации микробных процессов его деструкции. В этих районах вследствие нарушения водообмена глубже постоянного галоклина (65-75 м) возникает периодическое заражение придонных вод сероводородом. Летом 2007 г. в придонных горизонтах водной толщи на всех исследованных станциях с глубиной более 90 м

9

нами был выявлен явный дефицит кислорода, содержание которого составляло менее 15 мкМ (при концентрации его в водной толще 200-400 мкМ). Осенью 2007 г. на станциях российского сектора Гданьской впадины с подобными глубинами кислород отсутствовал, а содержание сероводорода достигало 60 мкМ.

Наибольшая концентрация метана была отмечена в верхнем 30 см слое осадков на станциях ПМ, где она достигала 1039 ммоль/м2 (рис. 5) и соответствовала предыдущим измерениям содержания СН4 в поверхностных газонасыщенных илах различных районов Балтийского моря (от 300 до 2700 ммоль/м2) [Блажчишин и др., 1987; Геодекян и др., 1991].

СН4, ммоль/м2

Рис. 5. Среднее интегральное содержание метана в верхнем 30 см слое осадочной толщи в илах типовых осадочных отложений, газонасыщенных осадках (ГНО) и покмарках Гданьской впадины Балтийского моря.

В богатых органическим веществом осадочных отложениях скорость темновой ассимиляции углекислоты (ТАУ) является хорошим индикатором активности микробных процессов [Sorokin, 1999]. Наибольшие величины скоростей ТАУ наблюдались в самых верхних горизонтах осадков и закономерно уменьшались с глубиной. Разброс значений интегральных интенсивностей ТАУ в горизонте осадков 0-30 см варьировал от 4 до 44,4 ммоль С/(м2 сут). Максимальные величины были выявлены в осадках покмарков. Здесь интегральные значения темновой ассимиляции углекислоты более чем в два раза превосходили таковые в типовых и газонасыщенных осадках.

Высокая активность сообщества гетеротрофных микроорганизмов, измеренная по скорости ТАУ, согласуется с распределением общей численности микроорганизмов (ОЧМ) в исследованных осадках. Аналогично скорости ТАУ, наибольшая общая численность микроорганизмов обнаруживалась в поверхностном слое осадков и уменьшалась при углублении в осадочную толщу. Значения ОЧМ в горизонте 0-5 см на станциях в газонасыщенных осадках и покмарках достигали 5-7,4x108 кл/мл, в типичных осадках - 3,1x10 кл/мл.

Известно, что в осадках морских водоемов сульфатредуцирующие прокариоты играют ключевую роль в процессах терминальной фазы разложения OB. Нами были выявлены высокие значения скоростей этого процесса. Разброс интегральных величин

1 1UU 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Типовые

ГНО

Покмарки

скоростей сульфатредукции варьировал в пределах от 1,8 до 28,6 ммоль Б/(м сут), при среднем значении 11 ммоль Б/(м2 сут). В типовых и газонасыщенных осадках диапазон величин сульфатредукции был близок и изменялся от 1,8 до 6,6 ммоль 8/(м2 сут), а максимальные значения были отмечены в осадках покмарков - 8-28,6 ммоль Б/(м2 сут) (рис. 6). Эти результаты соответствовали полученным ранее величинам СР в Балтийском море, диапазон которых составлял 1-17 ммоль Б/(м2 сут) при среднем значении 8 ммоль 8/(м2 сут) [Леин и др., 1982].

ммоль/м2 сут

30 -25 -20

Типовые ГНО Покмарки

□ СР

□ АОМ Рис. 6. Интегральные скорости СР и

АОМ в верхнем 30 см слое осадочной толщи в илах типовых осадочных отложений,

газонасыщенных осадках (ГНО) и покмарках Гданьском впадины Балтийского моря.

Полученные нами профили скоростей сульфатредукции, как правило, характеризовались двумя максимумами (рис. 7). Первый пик располагался в горизонте осадков 0-10 см и, по-видимому, определялся поступлением органического вещества из придонных слоев водной толщи. Максимальные значения сульфатредукции в этом горизонте были измерены в осадках покмарков (ст. ПШ-6452) - 277 мкмоль Б/(дм3 сут). В типовых и газонасыщенных осадках разброс величин СР в поверхностных горизонтах составил 13,3-59,4 мкмоль S/(äm3 сут). Второй пик располагался на глубине 20-40 см и, как правило, совпадал с максимумом анаэробного окисления метана. Максимальные значения скорости сульфатредукции в этом горизонте осадков были отмечены в осадках покмарков (ст. ПШ-7419) - 137 мкмоль S/Сдм3 сут), в ТО и ГНО интенсивность СР не превышала 35 мкмоль S/(,um3 сут).

Хорошая зависимость между сульфатредукцией и АОМ подтверждает предположение о том, что в обогащенных метаном восстановленных осадочных отложениях анаэробное окисление метана обеспечивает консорциум сульфатредуцирующих бактерий и метанотрофных архей [Alperin, Reeburgh, 1984; Hoehler et al„ 1994; Lloyd et al„ 2011].

Согласно современным представлениям анаэробное окисление метана [Hoechler et al., 1994; Boetius et al., 2000], протекает в соответствии с реакцией: СН4 + S042" НСОз" + HS" + н2о.

На примере газонасыщенных морских осадков [Orphan et al., 2001], микробных обрастаний коралловидных построек в Черном море подтверждена стехиометрия процесса АОМ и образования сероводорода 1 : 1 [Michaelis et al., 2002].

Величины анаэробного окисления метана в исследованных илах покмарков значительно превосходили таковые в остальных осадках, а максимальные значения скоростей процесса АОМ (50-80 мкмоль/(дм3 сут)) были отмечены в интервале глубин осадочной толщи 15-40 см. В этих илах так называемая зона перехода от сульфатных к метановым илам ("sulfate-methane transition zone", SMTZ) была максимально приближена к поверхности и обычно располагалась на глубине 10-20 см (рис. 7).

Рис. 7. Содержание сульфатов и метана (а), кривые скорости АОМ и СР (б) в осадках ст. ПШ-6452 (покмарк). Серым выделена зона перехода от сульфатных к метановым илам.

Скорость микробного метаногенеза в исследованных осадках на несколько порядков величин уступала скорости анаэробного окисления метана, хотя и имела явную тенденцию увеличения значений с глубиной колонки. Интегральные значения МГ в осадках Гданьской впадины изменялись в близком интервале величин: в ТО и ГНО в диапазоне от 9,6 до 13 мкмоль/(м2 сут), тогда как в осадках покмарков от 26,7 до 53 мкмоль/(м2 сут). Измеренные интенсивности метаногенеза в осадках Гданьской впадины соответствовали полученным ранее величинам (от 4 до 59 мкмоль/(м2 сут)) в осадочных отложениях Безымянной, Готландской и Арконской впадин [Леин и др., 1982; Lein et al., 1981] (рис. 8).

МГ, мкмоль/(м сут)

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Типовые

ГНО

Покмарки

Рис. 8. Средние интегральные скорости МГ в верхнем 50 см слое осадочной толщи в илах типичных осадочных отложений, газонасыщенных осадков и покмарков Балтийского моря.

Преобладание окисления метана над его образованием может наблюдаться только при наличии дополнительного источника СН4. Осадочная толща Гданьской впадины составляет 3000 м, включая верхние 20 м голоценовых отложений [Dodonov et al., 1976], поэтому в поверхностные илы может проникать СН4 из более глубоких горизонтов осадочной толщи. Метан может иметь как микробное происхождение, так и образоваться химическим путем в глубинных слоях осадочного чехла в процессах катагенеза. Для выяснения источника происхождения метана был измерен его изотопный состав. Считается, что величины 813С углерода биогенного метана варьируют от -55%о до -80%о и более [Alperin et al., 1992]. В обогащенных органическим веществом газонасыщенных осадках залива Экернфьорд [Martens et al., 1999] и других отложениях Балтийского моря Леин [Lein et al., 1981] ранее было установлено биогенное происхождение метана. Наши исследования (рис. 9) так же подтверждают биогенное происхождение метана в осадках Гданьского бассейна (813С от -68,8%о до -97,5%о).

Величина 5,3С органического углерода изменялась незначительно с углублением в толщу осадка (от -25,1%о до -27%о), в то время как изменение 513С углерода карбонатов было более выраженным. В поверхностных осадках (5-15 см) минеральный углерод характеризовался более легким изотопным составом 513С, что является типичным для обогащенных OB осадков и результатом его микробной минерализации с образованием изотопно легкой углекислоты. Обогащение карбонатов легким изотопом 12С на глубине 10-15 см может быть также следствием интенсивных процессов анаэробного окисления метана (рис. 9). Изменение изотопного состава карбонатов поровых вод в более глубоких слоях осадочной толщи, по-видимому, связано с активностью гидрогенотрофного метаногенеза, при котором происходит избирательное потребление 12С-НС03" с накоплением в осадках карбонатов, обогащенных тяжелым изотопом 13С [Alperin et al., 1992]. Тенденция увеличения интенсивности МГ с глубиной подтверждает это предположение. Аналогичная картина значительного утяжеления изотопного состава углерода

карбонатов поровых вод при углублении в толщу осадка была выявлена в илах залива Экернфьорде [Martens et al., 1999].

Рис. 9. Изотопный состав 813С углерода метана (♦), органического углерода (А) и углерода карбонатов (■) на ст. ПШ-6452.

Молекулярно-биологические исследования микробного биоразнообразия покмарка российского сектора Гданьской впадины (ст. ПШ-6529)

Методом CARD-FISH было показано, что в верхних 10 см осадка доминируют эубактерии (до 6,08><109 кл/мл сырого осадка), на глубине до 30-40 см возрастает численность архей (до 3,36хЮ9 кл/мл сырого осадка), что превышает численность эубактерий на этих горизонтах осадочной толщи. Процессы анаэробного окисления метана и метаногенеза осуществляют археи, и увеличение их численности соответствует зонам повышенной активности анаэробного окисления метана и возрастанию интенсивности МГ в более глубоких горизонтах осадка. В накопительных культурах сульфатредуцирующих бактерий с помощью видоспецифичных зондов было показано присутствие представителей порядков Desulfovibrionales и Clostridiales.

На основании анализа гена 16S рРНК в осадках покмарка выявлены последовательности СРБ, близкие семействам Syntrophaceae и Desulfobacteraceae. Таким образом, используя различные подходы, было показано наличие представителей четырех семейств СРБ в исследуемых осадках. Широкое распространение разных групп сульфатредуцирующих бактерий с доминированием в поверхностных осадках представителей семейства Desulfobacteraceae было обнаружено также в мелководных осадках Каттегатского пролива (Aarhus Bay) на

основании исследования в осадочных колонках генов с!5гАВ (диссимиляционная сульфит редуктаза) - молекулярных маркеров СРБ [Ье1оире1 а1., 2009].

В библиотеке клонов микроорганизмов, обитающих в слое осадка 30^0 см, в котором радиоизотопным методом выявлены высокие интенсивности процессов сульфатредукции и анаэробного окисления метана, обнаружены последовательности генов 16Э рРНК, принадлежащие некультивируемым метанотрофным археям, подгруппы АЫМЕ-1а. В данном исследовании метанотрофные археи группы АММЕ-2, АИМЕ-З не были детектированы, однако более ранние исследования [Тгсис1е й а1., 2005; \ieulepas е1 а1., 2009] свидетельствуют о присутствии архей группы АКМЕ-2 в прибрежных осадках Балтийского моря.

Следует отметить, что молекулярный анализ микробного сообщества трех горизонтов осадка, отличающихся по физико-химическим характеристикам и интенсивностям микробных процессов, показал широкий спектр последовательностей, имеющих высокий процент гомологии (97-98%) с последовательностями бактерий, обнаруженных ранее в осадках метановых сипов, содержащих газовые гидраты. Наиболее разнообразно в сообществе были выявлены представители таких крупных филумов как Рго !еоЬас1ег1а и А сНпо ЬасЧегга. Среди архей доминировали некультивируемые формы, ответственные за анаэробное окисление метана.

Для детектирования метанотрофных архей, участвующих в анаэробном окислении метана, в осадках ПМ Гданьской впадины (ст. Ш-7420), был проведен анализ нуклеотидных последовательностей гена, кодирующего а субъединицу МКР (тсгА), молекулярного маркера АОМ.

Показано, что в отличие от ранее изученных газонасыщенных осадков залива Экернфьорде (Германия), где с использованием метода ИБН было выявлено присутствие только представителей филотипа АЫМЕ-2, в осадках исследованного нами покмарка обнаружены представители двух групп метанотрофных архей АЫМЕ-1 и АЫМЕ-2. Большее количество полученных последовательностей группы АЫМЕ-1 может указывать на доминирование этих микроорганизмов в газонасыщенных осадках покмарков Гданьской впадины.

Исследование заливов Балтийского моря (Выборгского, Куршского,

Вислинского)

В период наших исследований содержание Сорг в осадках Вислинского залива соответствовало полученным ранее данным (1,11-Н,58%), за исключением ст. МС-1, где в подповерхностном горизонте эта величина составила 3,44% и в поверхностном горизонте ст. МС-4 - 2,11%. В российском секторе Куршского залива исследованные осадки содержали значительно больше Сорг (до 8,44% на ст. МС-5), что согласуется с полученными ранее данными [Кга\Ч50У е1 а1., 2002; Чечко, 2004]. Высокое содержание ОВ в осадках Куршского залива может объясняться как высокими скоростями осадконакопления, так и повышенным уровнем первичной продукции [А1е1«апс1гоу, 2010].

Выборгский залив (ст. 2 и 3) характеризуется типичными мелководными осадками, обогащенными органическим веществом. Средняя величина Сорг составила 3,66%.

Илы Выборгского залива характеризовались высоким содержанием метана. Среднее интегральное содержание метана в осадочной толще на станциях Л-2 и Л-3 равнялось 476 ммоль/м2, тогда как в осадках Куршского и Вислинского заливов не превышало 72 ммоль/м2, с разбросом значений от 5,4 до 116 ммоль/м2 (рис. 10).

СН4, ммоль/м2

600 500 400 300 200 100 0

Рис. 10. Среднее интегральное содержание метана в верхних 30 см осадочной толщи в илах Вислинского, Куршского и Выборгского заливов

Балтийского моря.

Вислинский Куршский Выборгский

Как и в осадках Гданьского бассейна, в донных отложениях исследованных заливов высокое содержание Сорг определяет высокую общую численность микроорганизмов и соотносится с высокими значениями темновой ассимиляции углекислоты. В осадках Куршского и Вислинского заливов ОЧМ достигала 210><109 кл/см3, а в Выборгском - 5,4><109 кл/см3.

Интегральные значения темновой ассимиляции углекислоты в донных отложениях Куршского и Вислинского заливов в среднем составляли 23,5 ммоль/(м2 сут). Следует отметить, что в целом в осадках Куршского залива суммарная интенсивность ТАУ была несколько выше, чем в илах Вислинского залива. Это можно объяснить различным содержанием Сорг в исследованных осадках. В Выборгском заливе значения ТАУ были несколько ниже и составили величину 7,6 ммоль/(м2 сут).

Анализ распределения физико-химических параметров и скоростей микробных процессов сульфатредукции и метаногенеза указывает на то, что содержание сульфатов в поровых водах является важнейшим фактором, влияющим на интенсивности микробных процессов в исследованных осадках. Более высокое содержание сульфатов в Вислинском заливе (в горизонте 0-5 см в 6,7 раз больше чем в Куршском заливе) приводит к тому, что в поверхностном 30 см слое осадков основную роль в разложении ОВ играют сульфатредуцирующие бактерии. В пределах Вислинского залива нами наблюдалось некоторое отличие в концентрации сульфатов поровых вод, которое определялось разным расстоянием станций до пролива, соединяющего залив с открытым морем. На ст. МС-1 и МС-2, наиболее приближенных к г. Балтийску, на фоне более высокого содержания сульфат-ионов (3-

2,4 ммоль/дм3), наблюдались наименьшие скорости МГ. Этот факт объясним тем, что процесс сульфатредукции энергетически более выгоден, чем метаногенез, поэтому при наличии достаточного количества сульфат-ионов в поровых водах процесс СР обычно преобладает [Lein et al., 2002]. На ст. МС-4, наиболее удаленной от г. Балтийска, наблюдается резкое исчерпание сульфатов в верхних 15 см осадочной толщи (от 1,32 до 0,11 мкмоль/дм3) и, соответственно, более высокая интегральная скорость МГ. В донных отложениях Куршского залива, где уже на глубине 10-12 см содержание сульфатов не превышает 0,03 мкмоль/дм3, активизируется процесс МГ, и поэтому содержание метана в поверхностных осадках здесь выше, чем в Вислинском заливе (табл. 1).

Таблица 1. Интегральные скорости микробных процессов СР, МГ,

содержание метана и сульфатов, рассчитанные для верхних 30 см донных осадков Вислинского и Куршского заливов

Номер станции Содержание S042" в 0-5 см осадка, ммоль/м2 Содержание СН4, ммоль/м2 Сульфатредукция, ммоль/(м2 сут) Метаногенез, ммоль/(м2 сут)

Вислинский залив

МС-1 | 2,92 108,7 2,43 0,005

МС-2 2,40 30,6 2,47 0,004

МС-3 2,83 5,4 5,51 0,017

МС-4 1,32 42,3 4,37 0,07

Куршский залив

МС-5 0,146 84,1 0,70 0,104

МС-7 0,74 116,6 2,30 0,065

МС-8 0,302 116,7 1,61 0,097

Суточный расход органического углерода [Леин и др., 1983] на восстановление сульфатов в осадках Вислинского залива варьирует от 4,8 до 11 ммоль/(м2 сут), в то время как образование метана при микробном МГ сопровождается потреблением только 0,008-0,14 ммоль/(м2 сут) Сорг. Вполне закономерно, что максимальный вклад метаногенных архей в деструкцию ОВ в Вислинском заливе наблюдался в наиболее распресненной зоне на ст. МС-4 (табл. 2).

В осадках практически пресного Куршского залива интенсивность метаногенеза и расход органического вещества были выше, чем в осадках Вислинского залива. Тем не менее, за счет бактериальной СР расходовалось большее количество Сорг (1,4-4,6 ммоль/(м2 сут)), по сравнению с процессом метаногенеза. Таким образом, относительно невысокая концентрация сульфат-ионов в поровых водах поверхностных осадков Куршского залива способствует сохранению высокой

активности сообщества СРБ, доминирующих на терминальной стадии минерализации ОВ (табл. 2).

В осадках Выборгского залива содержание сульфатов превосходило соответствующие значения как в Куршском, так и в Вислинском заливах. На двух станциях Л-2 и Л-3 при значительном содержании Сорг в осадках, динамика процессов МГ и СР протекала сходным образом: с глубиной в осадках резко уменьшалось содержание сульфатов (от 2,9 до 0,4 ммоль/дм3 на 10-15 см) и скорость СР, но увеличивалась скорость процесса МГ и содержание метана.

Таблица 2. Диапазон (в числителе) и средние значения расхода ОВ (в знаменателе) на микробные процессы в горизонте осадка 0-30 см_

Осадки Метаногенез, Сульфатредукция,

мкмоль/(м2 сут) ммоль/(м2 сут)

Вислинский 7,8-137 4,8-11

47,1 7,4

Куршский 130-208 1.4-4.6

177 ЗД

Выборгский 660-825 2.4-16,8

742,5 9,6

Типовые осадки 7,8-8,2 8,2-13,2

8 10,7

Газонасыщенные 5,8-17 3,7-11

осадки 13,3 8

Покмарки 10-48 16-57

35 37,7

Соотношение интегральных скоростей образования и окисления метана в поверхностных осадках большинства станций выявило превышение скорости процесса окисления метана, по сравнению с метаногенезом. Это свидетельствует о том, что в верхних 30 см осадков балтийских лагун окисляется биогенный метан, образованный в глубинных слоях осадочной толщи. Максимальная интенсивность окисления метана приурочена к самым верхним окисленным и слабовосстановленным горизонтам осадков. Поэтому основную барьерную роль на пути миграции метана из осадков балтийских заливов в придонные слои водной толщи играют аэробные метанотрофные бактерии, в отличие от восстановленных газонасыщенных илов Гданьской впадины, где нами наблюдалась высокая активность анаэробного окисления метана (рис. 11).

Величины скоростей метаногенеза и окисления метана в газонасыщенных осадках станций Выборгского залива превосходили интенсивности этих процессов в илах Вислинского и Куршского заливов. Причем станция Л-3 Выборгского залива

отличалась заметным превышением интегральной скорости процесса образования метана над его окислением.

Существенные отличия в распределении содержания метана и интенсивностей микробных процессов отмечены в пробах покмаркподобной структуры в Выборгском заливе (ст. Л-1).

ммоль/м2 сут

0,5 Г 0,4

Рис. 11. Средние интегральные скорости ОМ и МГ в верхнем 30 см слое осадочной толщи станций Вислинского, Куршского и Выборгского заливах Балтийского моря.

Современные постлиториновые осадки здесь ограничивались верхними 15-20 см осадочной толщи, где нами отмечалось некоторое повышение содержания метана, численности микроорганизмов, и активности микробных процессов. Глубже располагались практически однородные илы с крайне низким содержанием органического вещества и метана, в которых микробная активность радиоизотопным методом либо не была выявлена, либо отличалась очень невысокими значениями. Расчет интегральных скоростей метаногенеза и окисления метана для осадков ст. Л-1 показал, что их интенсивности были сопоставимы, но на несколько порядков величин меньше, чем на ст. Л-2 и Л-3 (менее 0,002 ммоль/(м2 сут)). Таким образом, не вызывает сомнения, что образование исследованной нами кратерообразной структуры в Выборгском заливе не связано с современным газопроявлением. Формирование подобных структур может быть также результатом разгрузки грунтовых вод. Такое явление в Балтийском море раннее было обнаружено в заливе Экернфьорде [Вшвтап, Биезв, 1998]. Однако, в поровых водах поверхностных осадков на ст. Л-1 мы не обнаружили признаков распреснения, типичных для зон высачивания пресных грунтовых вод. Для прояснения ответа на этот вопрос требуются дополнительные работы с прицельным отбором проб водолазами, поскольку не исключено, что выявленные нами кратеры имеют техногенную природу.

Наши исследования изотопного состава углерода метана подтверждают его биогенное происхождение в осадках Выборгского (от -63,5%0 до -76,6%о), Вислинского и Куршского заливов (от -63,3%о до -77,3%о) (рис. 7).

В осадках Выборгского залива утяжеление 513С карбонатов иловых вод было значительно выраженнее на ст. Л-3, где интегральная величина МГ была на 27% выше

19

0,3 0,2 0,1 0,0

Вислинский Куршский Выборгский

1"

[як

□ ОМ

□ МГ

соответствующих значений на ст. Л-2. Подобным образом в Вислинском заливе наибольший эффект фракционирования изотопов карбонатов поровых вод наблюдался на ст. МС-4, где было зафиксировано быстрое исчерпание сульфатов и существенное повышение скорости МГ глубже 15 см. В Куршском заливе явное утяжеление карбонатов поровых вод наблюдалось на всех исследованных станциях.

Некоторая тенденция обогащения углерода метана тяжелым изотопом 13С в горизонте 40-60 см осадочной толщи ст. Л-3 Выборгского залива может быть связана с фракционированием изотопов углерода при анаэробном окислении метана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным, полученным совместно с сотрудниками АО ИО РАН площадь покмарков, выявленных в российском секторе Гданьского бассейна, составляет —1,7 км2 и газонасыщенных осадков -300 км2 [ТЛуапоуа й а1., 2012]. Сотрудниками ВСЕГЕИ показано, что современные илы, в том числе газонасыщенные, покрывают не менее трети площади донных отложений Выборгского залива. Поэтому результаты проведенных нами микробиологических и биогеохимических исследований могут быть распространены на значительные площади российского сектора Балтийского моря.

В Гданьской впадине Балтийского моря наибольшие величины содержания СН4 (до 1039 ммоль/м2) обнаружены в илах покмарков; в газонасыщенных и типовых илах эти величины изменялись от 20,6 до 276 и от 3,7 до 32,5 ммоль/м2 соответственно. В газонасыщенных осадках Выборгского залива содержание СП» варьировало от 403 до 549 ммоль/м2, тогда как в осадках Вислинского залива - от 5,4 до 108 ммоль/м2, а Куршского - от 84 до 116 ммоль/м2.

Высокие величины содержания метана в исследуемых илах не подтверждаются значительными скоростями процесса метаногенеза в верхних горизонтах осадков. Однако, скорость процесса окисления метана в большинстве исследованных илов была значительно выше скорости МГ. Заметное превышение скорости ОМ над МГ возможно за счет дополнительного поступлении метана из нижележащих осадочных горизонтов.

В илах Гданьской впадины и в осадках исследованных заливов Балтийского моря процессы микробного окисления метана доминировали над его образованием. Единственным исключением, где скорость МГ превышала ОМ оказались газонасыщенные осадки на ст. Л-3 Выборгского залива (табл. 3).

Полученные результаты изучения изотопного состава метана как в осадках Гданьского бассейна, так и в заливах свидетельствует о его микробном происхождении (513С от -63,3%о до -97,5%о).

В ходе нашего исследования было подтверждено доминирование процесса СР на терминальной стадии разложения ОВ в исследованных илах Балтийского моря. Во всех илах, даже при минимальном содержании сульфатов (Куршский залив), основной расход органического вещества приходился на процесс сульфатредукции.

20

Таблица 3. Средние интегральные величины микробных процессов,

содержание метана в горизонте 0-30 см исследованных осадков Балтийского моря. МС-В - Вислинский залив, МС-К - Куршский залив__

Осадки Темновая ассимиляция углекислоты, ммоль/(м2 сут) Метаногенез, мкмоль/(м2 сут) Окисление метана, ммоль/(м сут) Сульфатредукция, ммоль/(м2 сут) сн4, ммоль/м2

МС-В 16 23,5 0,1 3,7 46,8

МС-К 33,4 88,5 0,17 1,5 105,8

Выборгский залив 4,3 371 0,36 4,8 475,9

Типовые осадки 10 4 0,125 5,3 18,1

Газонасыщен ные осадки 14 6,63 1,3 4 207,4

Покмарки 30 17,5 7,8 18,9 594,5

Максимальные скорости процесса CP были отмечены в газонасыщенных осадках покмарков Гданьской впадины, где наблюдалось поступление метана из нижележащих горизонтов. Было выявлено, что в подповерхностных илах покмарка в зоне «methane sulfate transition zone» значительный вклад в сульфидогенез вносит процесс АОМ, осуществляемый консорциумом метанокисляющих архей и сульфатредуцирующих бактерий. В газонасыщенных осадках и покмарках вклад анаэробного окисления метана в суммарный процесс сульфатредукции в среднем составлял 50%, достигая на некоторых станциях 72-82%. В остальных осадках эта величина не превышала 6%, т. е. восстановление сульфатов происходило, главным образом, за счет продуктов разложения органического вещества, поступающего из водной толщи.

В ходе молекулярно-биологического изучения микробного сообщества осадков покмарка Гданьской впадины были обнаружены последовательности представителей двух групп метанотрофных архей ANME 1 и ANME 2, в отличие от осадков залива Экернфьорде, где было выявлено присутствие только представителей филотипа ANME 2.

Проведенные исследования осадков покмаркоподобной структуры Выборгского залива не выявили ни признаков газонасыщенности, ни значительных скоростей микробных процессов. Интегральное содержание метана в верхних 30 см осадка не превышало 11 ммоль/м", а значения скоростей сульфатредукции и темновой ассимиляции углекислоты составляли 0,02 и 0,15 ммоль/(м* сут) соответственно, скорости процессов метаногенеза и окисления метана были менее 0,002 ммоль/(м2 сут). Это позволило нам сделать вывод о том, что образование данной структуры не связано с диффузным высачиванием газов из осадочной толщи.

выводы

1. В российском секторе Балтийского моря наибольшие величины содержания СН4 (до 1039 ммоль/м2) обнаружены в илах покмарков Гданьской впадины и в газонасыщенных осадках Выборгского залива (до 549 ммоль/м2). В остальных исследованных илах разброс значений содержания метана составил от 3,7 до 276 ммоль/м2.

2. В поверхностных осадках большинства станций Гданьской впадины выявлено существенное (на 2-3 порядка величин) превышение скорости процесса анаэробного окисления метана по сравнению с метаногенезом, что может быть обусловлено поступлением СН4 из глубинных слоев осадочного чехла. Исключение составляют осадки Выборгского залива, где скорость метаногенеза на 25% превышала скорость его окисления.

3. Величины изотопного состава углерода метана (513С от -63,3%о до -97,5%о) позволяют предполагать его микробное происхождение как в илах Гданьской впадины, так и в осадках Балтийских заливов.

4. В осадках Балтийского моря основным процессом терминального разложения органического вещества является сульфатредукция, интенсивность которой изменялась от 7 до 46,4 ммоль/(м2 сут).

5. В илах покмарков Гданьской впадины обнаружены наибольшие скорости анаэробного окисления метана (до 15 ммоль/(м2 сут)). В газонасыщенных осадках и покмарках вклад анаэробного окисления метана в суммарный процесс сульфатредукции в среднем составлял 50%, достигая на некоторых станциях 72-82%, в то время как в остальных осадках эта величина не превышала 6%.

6. Молекулярно-биологическими методами изучен состав микробного сообщества донных осадков покмарка Гданьской впадины. Определена численность архей и эубактерий, выявлены сульфатредуцирующие бактерии разных филогенетических групп, метаногены и анаэробные метанокисляющие археи АММЕ-1 и А1ШЕ-2.

7. Невысокое содержание метана в осадках кратерообразной структуры в Выборгском заливе в сочетании с низкими интенсивностями микробных процессов указывает на то, что формирование данной структуры не связано с современным газопроявлением.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Экспериментальные статьи:

1. Пименов Н.В., Ульянова М.О., Канапацкий Т.А., Сивков В.В., Иванов М.В. Микробиологические и биогеохимические процессы в районе покмарка в Гданьской впадине Балтийского моря // Микробиология. 2008. Т. 77. № 5. С. 651-659.

2. Pimenov N.V., Ulyanova М.О., Kanapatskv Т.А.. Veslopolova E.F., Sigalevich P.A., Sivkov V.V. Microbially mediated methane and sulfur cycling in pockmark sediments of the Gdansk Basin, the Baltic Sea // Geo-Маг. Lett. 2010. V. 30. P. 439-448.

3. Шубенкова O.B., Лихошвай A.B., Канапацкий Т.А., Пименов H.B. Микробное сообщество восстановленных осадков покмарка Гданьской впадины Балтийского моря // Микробиология. 2010. Т. 79. С. 801-811.

4. Меркель А.Ю., Черных H.A., Канапацкий Т.А., Пименов Н.В. Детекция метанотрофных архей в осадках покмарка (Гданьская впадина, Балтийское море) путем анализа последовательности гена, кодирующего а субъединицу метил-коэнзим M редуктазы // Микробиология. 2010. Т. 79. С. 852-855.

5. Пименов Н.В., Канапацкий Т.А.. Сигалевич П.А., Русанов И.И., Веслополова Е.Ф., Григорьев А.Г., Жамойда В.А. Сульфатредукция, образование и окисление метана в голоценовых осадках Выборгского залива Балтийского моря // Микробиология. 2012. Т. 81. № 1. С. 84-95.

6. Ulyanova M.О., Sivkov V.V., Kanapatskij Т.А.. Sigalevich P.A., Pimenov N.V. Methane fluxes in the southeastern Baltic Sea // Geo-Маг. Lett. 2012. V. 32. Issue 5-6. P. 535-544.

7. Кудрявцева E.A., Саввичев A.C., Александров C.B., Канапацкий Т.А.. Пименов H.B. Бактериопланктон Гданьского бассейна Балтийского моря // Микробиология. 2012. Т. 81. № 3. С. 377-388.

8. Пименов Н.В., Ульянова М.О., Канапацкий Т.А.. Мицкевич И.Н., Сигалевич П.А., Немировская И.А., Сивков В.В. Сульфатредукция, образование и окисление метана в поверхностных осадках Вислинского и Куршского заливов Балтийского моря // Микробиология. 2013. Т. 82. № 2. С. 228-238.

Тезисы конференций:

1. Пименов Н.В., Ульянова М.О., Канапацкий Т.А.. Сивков В.В. Геохимические последствия микробных процессов в Российском секторе юго-восточной Балтики / Материалы международной конференции "Комплексное управление, индикаторы развития, пространственное планирование и мониторинг прибрежных регионов юго-восточной Балтики". Калининград, 26-30 марта 2008. Терра Балтика. С. 121-122.

2. Pimenov N., Ulyanova M., Kanapatskiv T.. Veslopolova E., Sivkov V. Microbial Activity in the South-Eastern Baltic Sea (Russian Sector) with Special Reference to

the Methane and Sulfur Cycling / Abstracts of 9-th International Conference on Gas in Marine Sediments. 15-19 September 2008. University of Bremen. Germany. P. 51.

3. Pimenov N.V., Shubenkova O.V., Kanapatskiv T.A.. Likhoshway A.B., Ulyanova M.O., Zemskaya T.I., Sivkov V.V. Activity and Structure of Microbial Communities of Pockmarks and Geoacoustic Anomalies in the Russian Sector of the Gdansk Deep / Abstracts of International Workshop meeting, Varna, Sept. 28-30, 2009. P. 30.

4. Pimenov N.V., Kanapatskiv T.A.. Sigalevich P.A., Grigoriev A.G., Zhamoida V.A. Microbial processes of carbon and sulfur cycling in the Holocene sediments of the Vyborg Bay (Finland Gulf, Baltic Sea) / Abstracts of 10-th International Marine Geological Conference "The Baltic Sea Geology - 10". 24-28 August, St.Petersburg, Russia. P. 96-98.

5. Pimenov N.V., Kanapatskiv T.A., Sigalevich P.A., Grigoriev A.G., Zhamoida V.A. Microbially mediated methane and sulfur cycling in gas-bearing sediments of the Vyborg Bay (Finland Gulf, Baltic Sea) / Abstracts of 10-th International Conference on Gas in Marine Sediments. Limnological Institute SB RAS (Listvyanka Lake Baikal), 06-12 September, 2010, P. 67-68.

6. Merkel A.Yu., Chernych N.A., Kanapatskiv T.A.. Pimenov N.V. Detection of methanotrophic Archaea in pockmark sediments (Gdansk Deep, Baltic Sea) by sequence analysis of the gene encoding methyl-coenzyme M reductase A subunit / Abstracts of 10-th International Conference on Gas in Marine Sediments. Limnological Institute SB RAS (Listvyanka Lake Baikal), 06-12 September, 2010, P. 128-129.

7. Ульянова M., Канапанкий Т. Потоки метана в осадках Гданьского бассейна, Балтийское море / Геология морей и океанов: Материалы XVIII международной научной конференции (Школы) по морской геологии. 2011. Т. 2. С. 116-117.

8. Ulyanova М., Sivkov V., Kanapatskiv Т., Pimenov N. Methane diffusive flux in the shallow lagoons of the SE Baltic Sea / Abstracts of 11th International Conference on Gas in Marine Sediments. 2012-09-04 r. - 2012-09-06 r. - Nice. - 2012. P. 85 - 86.

Напечатаю с готового оригинал-макета

Подписано в печать 21.05.2013 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печл. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 141.

Издательство ООО 'МАКС Пресс" Лицензия ИД N00510 от 01.12.99 г. 119992,1СП-2,Москва, Ленинские горы,МГУ ш. МВ. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 527 к. Тел. 8(495)939-3890/91. Тел./факс 8(495)939-3891.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Канапацкий, Тимур Александрович, Москва

Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН

На правах рукописи

04201358031 Канапацкий Тимур Александрович

МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ СУЛЬФАТРЕДУКЦИИ, МЕТАНОГЕНЕЗА И МЕТАНОКИСЛЕНИЯ В ДОННЫХ ОСАДКАХ РОССИЙСКОГО СЕКТОРА

БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

Специальность 03.02.03 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Пименов Николай Викторович

Москва 2013

Содержание

Список используемых сокращений 4

ВВЕДЕНИЕ 5

Список основных научных работ, опубликованных по теме диссертации 9

ГЛАВА 1. МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУЛЬФАТА В 15 МОРСКИХ ВОДОЕМАХ

1.1. Современные представления о сульфатредуцирующих микроорганизмах 15

1.2. Распространение и значение сульфатредуцирующих бактерий в природе 18

ГЛАВА 2. МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЦИКЛА МЕТАНА В МОРСКИХ 23 ВОДОЕМАХ

2.1. Современные представления о метаногенных археях 24

2. 2. Распространение и значение метаногенов 28

2. 3. А. Аэробное окисление метана. Современные представления о 31 метанотрофии

2. 3. 1. Распространение и значение 35

2. 3. Б. Анаэробное окисление метана 37

2. 3. 2. Распространение и значение анаэробных метанотрофов 42

ГЛАВА 3. МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БАЛТИЙСКОМ МОРЕ 44

3.1. Гидрология и гидрохимия Балтийского моря 44

3.2. Биогеохимические и микробиологические исследования в Балтийском 46 море

Заключение 49

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 50

4.1 Объекты и методы исследования 50

4.2. Методы отбора проб для исследований 56

4. 2. 1. Физико-химические методы 56

4. 2. 2. Биогеохимические методы 59

4. 2. 3. Определение стабильноизотопного (813С) состава метана, 65 растворимого минерального углерода и органического вещества осадков

4. 2. 4. Микробиологические методы 66

4. 2. 5. Методы молекулярной экологии 67 ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 74

5.1. Физико-химическая характеристика донных осадков и придонной 74 воды российского сектора Балтийского моря

5.1.1. Гданьский бассейн 74

5. 1.2. Выборгский залив 84 5. 1.3. Вислинский и Куршский заливы 88

5.2. Общая численность микроорганизмов 93 5. 2. 1. Гданьская впадина 93 5. 2. 2. Выборгский залив 93 5. 2. 3. Вислинский и Куршский заливы 94

5.3. Интенсивности микробиологических процессов 95 5. 3. 1. Гданьский бассейн 95

5.3.2. Выборгский залив 99

5.3.3. Вислинский и Куршский заливы 103 5. 4. Изотопный состав углерода СН4, Сминер и Сорг 105 5. 4. 1. Гданьский бассейн 105 5. 4. 2. Выборгский залив 106 5. 4. 3. Вислинский и Куршский заливы 107 5.5. Молекулярная детекция сообществ микроорганизмов 108 ГЛАВА 6. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 119

6.1. Исследование Гданьской впадины Балтийского моря 119

6.2. Исследование заливов Балтийского моря (Выборгского, Куршского, 127 Вислинского)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134

ВЫВОДЫ 137

Список литературы 138

Список используемых сокращений

АО ИО РАН - атлантическое отделение ИО РАН

АОМ - анаэробное окисление метана

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота

АФК - активные формы кислорода

ВЦМ - внутрицитоплазматических мембран

ГЛБО - гидролокация бокового обзора

ГНО - газонасыщенные осадки

ДАФИ - 4,6-диамидино-2-фенилиндол

ИО РАН - институт океанологии российской академии наук

МГ - метаногенез

МГА - метаногенные археи

НСП - непрерывное сейсмоакустическое профилирование

OB - органическое вещество

ОМ - окисление метана

ОЧМ - общая численность микроорганизмов

ПМ - покмарк

ПЦР - полимеразная цепная реакция CP - сульфатредукция

РМФ - рибулозомонофосфатный путь ассимиляции С1-соединений

СО РАН - сибирское отделение РАН

СРБ - сульфатредуцирующие бактерии

СРП - сульфатредуцирующие прокариоты

ТАУ - темновая ассимиляция углекислоты

ТО - типичные осадки

ANME - the anaerobic methane oxidizers или anaerobic methanotrophs CARD-FISH - catalyzed reporter deposition fluorescence in situ hybridization FISH - флуоресцентная in situ гибридизация SMTZ - «methane sulfate transition zone»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Известно, что в процессах диагенетического преобразования морских осадков микроорганизмы циклов углерода и серы играют ключевую роль. В результате жизнедеятельности микроорганизмов различных физиологических групп происходит образование С02, H2S, других восстановленных соединений серы и метана, которые оказывают существенное влияние на трансформацию органического вещества (ОВ) осадков на ранних этапах диагенеза. Масштабы микробного образования восстановленных соединений серы и биогазов зависят, главным образом, от величины потока ОВ из водной толщи в осадочные отложения [Иванов, 1983].

Балтийское море представляет собой крупнейший в мире эстуарий нескольких полноводных рек, относящийся к типу мелководных мезотрофных морских бассейнов. При средней глубине 50 м море характеризуется сложным строением водной толщи. С одной стороны из-за наличия на дне порогов и впадин возникают застойные явления с появлением H2S и других восстановленных соединений. С другой стороны циркуляции вод мешает стратификация, образующаяся в результате контакта сильно распресненных поверхностных вод речного стока, с более солеными глубинными водами, поступающими из Северного моря. Эти два слоя разделены переходным слоем скачка солености, который действует как постоянный барьер, препятствующий полноценному обмену опресненных и соленых вод. К галоклину добавляется не менее отчетливый термоклин, формирующийся весной и разрушаемый осенними штормами [Экосистемы Балтики..., под ред. Кобленц-Мишке, 1987].

По данным Комиссии по защите экосистемы Балтийского моря среднегодовая

-у

величина первичной продукции достигла величины 188 гС/(м год), в Рижском заливе и Датских проливах превысила величину 200 гС/(м2 год) [HELCOM, 2006], а в российском секторе юго-восточной части Балтийского моря составила 231 гС/(м2 год) [Кудрявцева и др., 2012]. Высокая продуктивность Балтийских вод в сочетании со значительным поступлением аллохтонного ОВ способствует протеканию в осадочных отложениях интенсивных микробиологических процессов трансформации ОВ.

Первые масштабные исследования скоростей ключевых микробных процессов (сульфатредукции, метаногенеза и метанокисления) в восстановленных осадках открытого моря, в Рижском заливе, в илах Готландской и Арконской впадин были выполнены в 70-80-ые годы прошлого столетия под руководством М.В. Иванова [Lein at al., 1981; Леин и др., 19826]. Было показано, что максимальные скорости

о

сульфатредукции (до 150-200 мкмоль 8/(дм сут)) наблюдались в верхних горизонтах осадочной толщи мощностью 0-20 см. В более глубоких горизонтах голоценовых осадков интенсивность этого процесса, как правило, снижалась на 1-2 порядка. Образование метана в исследованных илах происходило преимущественно за счет восстановления углекислоты, причем наибольшие скорости образования метана наблюдались в относительно мелководных осадках Рижского залива. Расчет суммарного расхода Сорг на микробное образование метана составил 0,27-9,71 мг С\на кг влажного ила в год, что в 20 с лишним раз меньше расхода углерода на бактериальное восстановление сульфата в исследованных балтийских илах [Леин, Иванов, 2009].

В начале семидесятых годов прошлого столетия сотрудниками Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР впервые были обнаружены аномалии в распределении углеводородных газов в придонных водах Балтийского моря [Геодекян и др., 1979]. Геофизические и геологические исследования, проведенные в серии экспедиций в Балтийском море, показали, что повышенное содержание метана в придонных слоях водной толщи, определяется разгрузкой газосодержащих флюидов, локализация которых приурочена к специфической геоморфологической картине дна (углубления, кратеры и т.д.). Позднее подобные метановые кратеры (покмарки) с характерными газонасыщенными осадками и повышенным содержанием метана в придонной воде были выявлены в различных районах Балтийского моря в пределах Гданьской, Арконской и Готландской впадин [Геоакустические..., под ред. Геодекяна, 1990; Геохимия вод..., под ред. Геодекяна, 1997]. Очевидно, что высокие концентрации метана в осадках и придонной воде должны оказывать влияние на структуру микробного сообщества, развивающегося в этих районах Балтики.

Первые детальные микробиологические и биогеохимические исследования мелководных газонасыщенных осадков были проведены немецкими исследователями в заливе Экернфьорде [Christopher et al., 1999]. Измерение скоростей

сульфатредукции, метанобразования и метанокисления позволило авторам сделать вывод о том, что наряду с сульфатредукцией в осадках залива происходят активные процессы анаэробного окисления метана (АОМ), в которых участвуют метанотрофные археи АЫМЕ-2 типа [Тгеиёе е1 а1., 2005].

В российском секторе Балтийского моря по данным эхолотного зондирования, выполненного сотрудниками ИО РАН и ВСЕГЕИ [Геохимия вод..., под ред. Геодекяна, 1997] на разных глубинах встречаются различные типы газонасыщенных осадков, как ассоциированных с покмарками, так и располагающиеся вне их зоны. Однако до сих пор не проводилось систематических исследований структуры и активности микробного сообщества донных осадков, приуроченного к зонам покмарков и геоакустических аномалий в Российском секторе Балтийского моря.

В 1990-х гг. сотрудниками ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского при проведении геофизических работ в Выборгском заливе с использованием метода непрерывного сейсмоакустического профилирования (НСП) было установлено широкое распространение газонасыщенных осадков. Также в разрезах локально были найдены воронкообразные структуры, либо выходящие на поверхность дна, либо захороненные в толще отложений. Позднее ОАО «Петротранс» на поверхности дна были обнаружены овальные и округлые структуры диаметром до 25 м. В 2007-2009 гг. эти кратероподобные структуры были исследованы ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского методом гидролокации бокового обзора (ГЛБО) [Атлас геологических..., 2010]. Никаких микробиологических и биогеохимических исследований в этом районе Балтики до сих пор не проводилось.

Куршский и Вислинский заливы (средние глубины 3,8 и 2,7 м соответственно) являются своеобразными промежуточными проточными бассейнами-отстойниками, принимающими жидкий и твердый сток с суши и взаимодействующие с открытым морем через узкие проливы [Пустельников, 1983]. Куршский залив в большей степени, чем Вислинский подвержен влиянию речного стока, поскольку основное количество (87%) терригенного материала в Куршский залив поступает с речным стоком и лишь 16% с морской водой. Тогда как в Вислинский залив со стороны моря поступает 25%, а на речной сток приходится не более 58% поставляемого в водоем терригенного материала. В среднем для Вислинского залива соленость составляет 3,80%о, а южная часть Куршского залива является практически пресноводной.

Различие речного или морского влияния сказывается на количестве осадочного материала, аккумулируемого в заливах. Непосредственно в бассейне Куршского залива (особенно в его южной части) осаждается 74% поступающего осадочного вещества, и лишь 26% выносится [Р^еЫкоуаБ, 1998]. На дне Вислинского залива накапливается всего 16% поступающего терригенного материала, а большая часть (84%) его выносится в море. Таким образом, современный этап осадконакопления в Вислинском заливе характеризуется преимущественным выносом осадочного материала, а в Куршском - его аккумуляцией [Чечко, 2004].

Значительные площади осадочных отложений в обоих заливах представлены заиленными песками и алевро-пелитовыми илами с достаточно высоким содержанием С0рГ. Среднее содержание Сорг в осадках Куршского залива составляет 1,7-2,4%, причем максимальные величины зафиксированы в южной части залива (более 7%), что может объясняться высокими скоростями осадконакопления и высокой продукцией ОВ. В осадках Вислинского залива содержание Сорг существенно ниже, чем в Куршском заливе, в котором даже в поверхностном слое значения Сорг редко превышают величину 2%. Долгосрочный мониторинг изменения содержания хлорофилла, биогенных элементов, биомассы фитопланктона в сочетании с измерением первичной продукции и минерализации органического вещества в Куршском и Вислинском заливах позволил отнести Куршский залив к гипертрофному водоему, а Вислинский залив - к евтрофному [Аккзапёгоу, 2010]. По ряду критериев можно считать, что эвтрофирование Вислинского залива не достигло критического уровня, а Куршского - превысило допустимые нормы.

Таким образом, выполненные ранее геохимические, химические и биологические исследования дают основание полагать, что в осадках Куршского и Вислинского заливов протекают активные микробиологические процессы деструкции органического вещества. Однако до сих пор, микробиологические и газогеохимические исследования осадочных отложений российских частей Куршского и Вислинского заливов не проводились. Цели и задачи исследования:

Целью нашей работы было проведение микробиологических и биогеохимических исследований активности микроорганизмов в осадочных отложениях российского сектора Балтийского моря.

Для достижения этой цели нами были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать физико-химические характеристики осадочных отложений выбранных районов, а также определить содержание метана в илах и придонной воде.

2. Определить общую численность микроорганизмов и скорости ключевых микробных процессов: метанокисления, метанобразования и сульфатредукции в донных осадках.

3. Изучить состав микробного сообщества донных осадков покмарков Гданьской впадины молекулярно-биологическими методами.

4. На основании результатов измерения скоростей микробных процессов и

1 ^

данных изотопного состава углерода (8 С) метана и углекислоты оценить геохимическую роль сульфатредуцирующих, метанобразующих и метанокисляющих микроорганизмов в процессах круговорота углерода и трансформации основных биогенных газов - сероводорода и метана в газонасыщенных голоценовых осадках Балтийского моря.

Научная новизна работы. Установлено, что в осадках покмарков Гданьской впадины содержание метана, численность микроорганизмов и интенсивность микробных процессов существенно выше, чем в илах, отобранных вне этой зоны. Анализ данных интегральной скорости сульфатредукции (СР) в горизонте осадков 030 см показал, что средняя величина образования восстановленных соединений серы за счет разложения ОВ, поступающего из водной толщи в период наших исследований составила 5,2 ммоль/(м2 сут). В осадках покмарков, характеризующихся повышенным содержанием метана, заметный вклад в образование восстановленных соединений серы (до 70%) вносит процесс анаэробного окисления метана.

1 л

Результаты изучения изотопного состава углерода метана 8 С-СН4 (-68 -84%) осадочной толщи покмарков свидетельствуют о его биогенном происхождении. Однако низкие скорости метаногенеза, выявленные до глубин опробования ила (160— 200 см), указывают на то, что биогенный метан мигрирует из глубинных слоев осадочного чехла.

В отличие от Гданьской впадины, в Выборгском заливе Балтийского моря кратерообразные структуры не связаны с газовыделением, а образовались, по-видимому, вследствие разгрузки подземных вод. Газонасыщенные осадки залива

формируются в результате высокой активности современных процессов метаногенеза.

Впервые проведены микробиологические и газо-геохимические исследования в Вислинском и Куршском заливах. В осадках более соленого Вислинского залива интегральные скорости сульфатредукции были выше, чем в осадках Куршского залива. Меньшее содержание сульфатов и их быстрое исчерпание в поровых водах осадков Куршского залива по сравнению с Вислинским, способствует активизации процесса МГ, интенсивности которого в илах Куршского залива были заметно выше.

Проведены молекулярно-биологические исследования состава микробного сообщества восстановленных осадков покмарка Гданьской впадины. Детекция функционального гена, кодирующего а - субъединицу метил-коэнзим М редуктазы у метанотрофных архей показала, что в осадках исследованного нами покмарка Гданьской впадины обнаружены представители двух групп метанотрофных архей ANME-1 и ANME-2. Большее количество полученных последовательностей группы ANME-1 может указывать на доминирование микроорганизмов этой группы в газонасыщенных осадках покмарков Гданьской впадины.

Практическая значимость работы. Полученные данные по скоростям микробных процессов необходимы для моделирования динамики метана в Балтийском море в прошлом (Голоценовый период), настоящем и будущем (с прогнозом возможных сценариев). Результаты проведенной работы включены в европейскую базу данных районов скопления газа, созданную в рамках проекта BONUS. Эти данные стали основой разработки динамической модели процессов продукции и трансформации газов в Балтийском море в голоцене и прогнозирования возможных сценариев последствия изменения климата в 21-ом веке. Проведенные исследования расширяют фу�