Выработка метана в озерах и водохранилищах является важным процессом в глобальном углеродном цикле. Хотя выбросы углекислого газа (CO2) в поверхностные воды поддерживаются за счет дыхания водосборного грунта, метан, высвобождаемый из водохранилищ и озер, образуется в этих системах сам.
Метан производится на аноксических участках, в основном в отложениях, в результате минерализации органического вещества.
Метаногенез - это термодинамически наименее эффективный путь минерализации органического вещества и обычно начинается, когда другие акцепторы электронов (кислород, нитраты, железо, сульфат) истощаются.
Производство метана осуществляется двумя способами: ферментацией ацетата и сокращением выбросов CO2.
В пресноводных системах ферментация является доминирующим процессом. Это зависит от наличия органического углерода (OУ). Существует два источника ОУ в озерах и водохранилищах:
а) поступление растворенного органического углерода (РОУ) и дисперсного органического углерода (ДОУ) из наземных источников водосбора
b) автохтонное (внутреннее) производство фотосинтезирующими организмами в самом водоеме. Здесь используется термин "автохтонный" по отношению к водохранилищу, в то время как термин "наземный" относится к импорту углерода потоками.
Хотя во многих исследованиях изучалось, насколько эти источники способствуют внутреннему круговороту углерода и является ли основным субстратом метаногенных бактерий ацетат или H2 + CO2, известно меньше о значении автохтонного по сравнению с наземным ОУ как субстрата для производства метана. Однако экономически эффективные меры по ограничению выбросов метана должны быть сосредоточены главным образом на основном источнике ОУ.
Лучшее знание конкретных источников метана поможет выбрать целенаправленную стратегию сокращения выбросов метана из резервуаров.
Органическое вещество - это смесь веществ с различной способностью к разложению. В подходящих условиях легко разлагаемые микроорганизмами поддающиеся биологическому разложению соединения, предпочтительно минерализуются с помощью микробов.
Автохтонный ОУ в основном происходит от планктонного фотосинтеза и обладает высокой биологической способностью.
Недавние исследования показывают положительную корреляцию между трофическим состоянием и выбросами метана, что говорит о том, что автохтонный углерод является важным источником углерода для производства метана в отложениях водохранилищ.
Наземный ОУ происходит от растений и почв в водосборном бассейне. В отличие от автохтонного материала, он часто более древний и, таким образом, уже частично деградировавший. В результате наземный ОУ имеет тенденцию быть более биорефрактерным, т.е. он менее доступен для микроорганизмов по сравнению с автохтонным материалом и осадки, получающие высокие поступления от наземного ОУ, имеют тенденцию к большей эффективности его захоронения.
Наземный ОУ может быть либо растворенным, либо состоять из частиц, и он является доминирующей частью органического вещества в озерах с низким содержанием питательных веществ. В отличие от озер, в водохранилищах наземный ОУ формируется из двух источников:
- почва и растительный материал, оставшийся со времени до строительства водохранилища,
- входной материал во время заполнения и эксплуатации водохранилища.
В тропических водохранилищах деградация наземного материала, происходящая во времена, предшествовавшие затоплению, является основным источником углерода при производстве метана в течение первых лет эксплуатации водохранилища. Известно, что водохранилища являются горячими точками выбросов метана в воду, поскольку они задерживают органический материал, происходящий из водосбора. Однако тесная связь между производством осадочного метана и поступлением углерода с суши была установлена на основе косвенных данных, таких как корреляция между выбросами метана и количеством и составом осадков. Прямых доказательств того, что осадочный метан поступает из наземных источников углерода, недостаточно.
Эксперименты, в которых пробы отложений были дополнены различными типами органического углерода, подтвердили, что земной углерод является важным субстратом для производства метана в отложениях. Анализ изотопного состава различных видов углерода в окружающей среде дает возможность напрямую связывать субстраты с продуктами реакции на месте. К сожалению, результаты исследований с использованием исключительно стабильного изотопа не были однозначными. В 32 европейских озерах связь между осадочным органическим веществом и метаном отсутствовала.
Радиоуглерод является мощным, но недостаточно используемым инструментом в геохимических исследованиях. Радиоуглерод в метане (радиометан) был, в частности, проанализирован для изучения значимости старых и новых источников углерода для производства метана в различных средах.
Однако имеется лишь несколько исследований радиометана из озер или водохранилищ.