Введение 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы: Одним из приоритетных направлений в антарктических
advertisement
Введение 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы: Одним из приоритетных направлений в антарктических исследованиях в ближайшие десятилетия будет комплексное изучение природы подледниковых водоемов, которые были обнаружены сравнительно недавно в Центральной Антарктиде под многокилометровым слоем льда. Подледниковые водоемы находятся, как правило, ниже уровня моря во впадинах подледникового рельефа, а толщина льда над ними достигает 3-4 км. В настоящее время открыто 67 относительно небольших подледниковых озер и один крупный водоем. Длина этого подледникового водоема, получившего названия «озеро Восток», составляет 230 км, а площадь - около 16 тыс. км2. Мощность ледника в районе станции Восток составляет 3750 м, а толща воды подо льдом - 670 м. Далее по разрезу между дном озера и поверхностью акустического фундамента наблюдается слой, отождествляемый с донными отложениями, которые имеют сложное строение и суммарную мощность от 90 до 330 м. Предполагается что, озеро пресное, изолированное от окружающей среды в течение миллионов лет, и поэтому оно может содержать живые реликтовые микроорганизмы. Полученные в настоящее время характеристики подледникового озера Восток указывают наиболее благоприятное место проникновение в озеро. Это станция Восток, где относительно небольшая толщина ледника, значительный слой водной толщи и донных отложений, а также развитая инфраструктура станции для выполнения различных видов научных исследований, в том числе микробиологических. Наиболее удобной точкой для проникновения в озеро является скважина 5Г-1, пробуренная на станции Восток. Глубина скважины составляет 3623 м. Комплексные исследования отобранного здесь ледяного керна показали, что с глубины 3538 м и до забоя ледниковая толща сложена конжеляционным льдом 5 * - продуктом длительного последовательного намерзания озерной воды на нижнюю поверхность ледника. Непробуренную часть ледникового покрова от забоя скважины до границы лед-поверхность озера слагает конжеляционный лед. По подсчетам российского гляциолога чл.-кор. РАН И.А. Зотикова на каждый квадратный километр тающей нижней поверхности льда будет выделяться около 20 тыс. м3 воздуха в год. Под действием давления более 30 МПа, возникающего из-за тяжести льда, весь воздух должен раствориться в "* воде и каждый литр ее будет содержать 0,1 л воздуха. Таким образом, в подледниковых водоемах создаются условия для поддержания жизни. Во льду с глубин 3551м и 3607м были обнаружены три вида термофильных бактерий, аналоги которых развиваются в гидротермальных источниках активных областей океанов и континентов при температурах 40-60°С. В связи с этим выдвигается гипотеза о существовании в подледниковых озерах простейших форм жизни, не требующих процесса фотосинтеза. Не исключается также возможность обнаружения простейших микроорганизмов, попавших в озеро при таянии ледника с нижней его поверхности, возраст которых составляет несколько млн. лет. Наличие же живых микроорганизмов во льду в состоянии анабиоза экспериментально установлено и признано учеными практически всех стран, проводящих исследования в Антарктиде. Конечно, это только начальные результаты, но они позволяют предположить существование биологических процессов, протекающих в полностью изолированной экосистеме. Исследование подледниковых озер, в частности озера Восток, может послужить основой для формирования более полного представления о начальных этапах развития жизни на Земле и представить доказательства или опровергнуть ту или иную гипотезу о происхождении жизни на нашей планете. Они позволят исследовать * возможность существования жизни в столь экстремальных условиях или 6 * убедиться в ее отсутствии в подледниковых водоемах. То есть озеро Восток это уникальная «капсула из далекого прошлого», открыв которую ученые смогли бы решить множество сложнейших нерешенных проблем в истории нашей планеты [8,21,23,29,38]. Доказательство существования жизни подо льдом возможно только путем решения ряда чисто технических задач, касающихся, прежде всего, вскрытия подледникового озера и проведения отбора проб подледниковой воды с соблюдением всех необходимых требований стерильности. На данном этапе ^ общепризнанных методов отбора проб из подледниковых водоемов не существует. Этим объясняется актуальность работ по обоснованию и разработке эффективной технологии скважинного способа отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, исключающих их загрязнение. Цель работы — научное обоснование эффективной технологии и создание технических средств для экологически чистого скважинного отбора проб из подледниковых водоемов. "** Идея работы состоит в осуществлении отбора микробиологических проб непосредственно в озере путем фильтрации подледниковой воды через биологический фильтр скважинного пробоотборника, конструкция которого обеспечивает изоляцию отбираемой пробы от окружающей среды. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих конкретных задач: • анализ существующих методов и вариантов асептического отбора микробиологических проб и оценка их применимости при исследовании подледниковых водоемов; • разработка методики проведения экспериментов и обработки опытных данных по оценке влияния гидродинамических процессов на работу кассетного блока фильтров скважинного пробоотборника; 7 • разработка эффективной технологии и технических средств для отбора проб из подледниковых водоемов; • разработка программы для ПК на основе полученных аналитических зависимостей и выполнение расчетного анализа степени влияния факторов, определяющих процесс отбора проб; • обоснование рациональной конструкции скважинного пробоотборника и изготовление опытного макета кассетного блока биологических фильтров; • определение оптимальных режимов отбора проб, обеспечивающих необходимые условия фильтрации больших объемов воды. Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось методом математического и расчетного анализа, а также путем экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Этапы выполнения исследований: • обзор, анализ и обобщение материалов научных исследований по указанной проблеме, обоснование цели и задач исследования; • обоснование способа экологически чистого отбора проб из подледниковых водоемов на примере подледникового озера Восток; • построение и анализ математической модели гидродинамических процессов, происходящих в скважинном пробоотборнике при отборе проб; • разработка конструкции основного узла пробоотборника — кассетного блока биологических фильтров и эффективных режимных параметров его работы; • экспериментальные исследования гидродинамических процессов при работе кассетного блока биологических фильтров; • компоновка пробоотборника и определение технологии отбора проб из подледниковых водоемов по результатам экспериментальных исследований. 8 * Основные защищаемые положения: 1. Технология отбора микробиологических проб скважинным пробоотборником, содержащим блок фильтров кассетного типа с параллельным подсоединением кассет, обеспечивает высокую эффективность опробования воды при минимально низком содержании в ней микрофлоры за счет увеличенной суммарной площади фильтров и увеличения объема исследуемой жидкости, многократно превышающей объем самого пробоотборника. ^ 2. Обеспечение необходимого значения суммарной площади биологического фильтра может быть достигнуто за счет равномерного распределения потока исследуемой жидкости в параллельно подключенных кассетах при величине кольцевого зазора в пробоотборнике, пропорциональной корню кубическому из отношения объемного расхода потока к падению давления в кассетах. Научная новизна заключается в теоретическом и технико-технологическом обосновании возможности экологически чистого непрерывного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов, вскрытых глубокими скважинами, за счет применения скважинного пробоотборника, обеспечивающего пропускание объема опробуемой жидкости, многократно превышающего его внутренний объем. Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях и удовлетворительной совпадением расчетных и опытных данных. Практическая ценность диссертации состоит в разработке скважинного пробоотборника и методики микробиологического опробования подледниковых водоемов. Реализация результатов работы. Испытания экспериментального образца ъ основного узла пробоотборника - блока биологических фильтров показали 9 надёжность его работы при показателях, близких к расчётным, что позволяет подготовить пробоотборник для экологически чистого отбора микробиологических проб из подледникового озера на станции Восток в Антарктиде, запланированное на ближайший период работы Российской антарктической экспедиции. Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и разработке методов их решения, организации и выполнении теоретических и экспериментальных исследований, а также разработке технических средств и технологии. Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертации докладывались на научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, СПГГЩТУ), 1999-2002.); международной научной конференции «Исследования и охрана окружающей среды Антарктики» (СПб, ГНЦ РФ ААНИИ, 2002.); научной конференции «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства» (СПб, СПГГЩТУ), 2004.); «II Ферсмановской научной сессии Кольского отделения РМО» (Апатиты, 2005.); российско-французком семинаре «Восток 2005» (СПб, 2005.); кафедре техники и технологии бурения скважин СПГГИ (ТУ) (2004.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. На технические решения получен патент РФ на изобретение. Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на ПО страницах машинописного текста, включает 25 рис., 5 табл., список использованной литературы из 85 наим., в том числе 18 зарубежных. 10 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АСЕПТИЧЕСКОГО ОПРОБОВАНИЯ ЛЬДА И ПОДЛЕДНИКОВЫХ ВОДОЕМОВ В ЦЕЛЯХ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В последние годы в связи с появлением новейших методов исследований одним из актуальнейших вопросов микробиологии становится проблема изучения простейших форм жизни в экстремальных условиях, например в подледниковых водоемах, глубоководных впадинах и т.п. Особый интерес в связи с этим представляет изучение ледяного континента — Антарктиды. Огромные ледниковые покровы Антарктиды, мощность которых в центральных частях достигает более 3000 м, а возраст составляет многие сотни тысяч лет, являются неисчерпаемым источником информации о природных условиях на Земле в отдаленные эпохи. В частности, наличие и весьма длительное сохранение при постоянной отрицательной температуре, достигающей -57°С, в толще льда включений биологического происхождения (бактерий, спор, пыльцы и др.) создают уникальную возможность изучения временного фактора консервации жизни. Российская станция Восток занимает особое место, будучи расположена в центральном районе Антарктиды. Здесь зафиксирован абсолютный минимум температуры за всю историю метеонаблюдений на Земле, равный -89,2°С. Поэтому эту станцию справедливо называют полюсом холода нашей планеты. Мощность льда в этом районе составляет около 3750 м. Наиболее простым и экономичным способом исследования глубоких горизонтов ледовых отложений являются буровые работы. Несмотря на кажущуюся простоту этого способа изучения глубоких горизонтов льда исследователи сталкиваются с рядом трудноразрешимых вопросов. Это, во-первых, крайне неблагоприятное географическое положение этих районов (удаленность от баз снабжения, сложность транспортировки бурового оборудования и т.д.), во-вторых, исключительно суровые климатические и условия района работ, низкая температура разбуриваемого льда, в-третьих, физикомеханические особенности льда как горной породы, его высокая пластичность, заставляющая ледник «течь» подобно аморфным телам и т.д. 1.1. Научные и практические цели микробиологического изучения подледниковых водоемов Новый этап в исследовании Антарктиды связан с открытием озер под ледниковым покровом. Начало этой научной истории положил известный советский ученый Н.Н. Зубов, который в своих работах в конце 1950-х гг. первым доказал, что наземные ледяные щиты могут иметь слой воды подо льдом из-за тепла, поступающего из недр Земли. В 1968 году сотрудники Полярного института Скотта (Великобритания), проводившие радиолокационную съемку ледниковой толщи Восточной Антарктиды, получили в ряде мест отраженные сигналы, указывающие на очень гладкую поверхность ледникового ложа. Дальнейший анализ показал, что именно такая форма сигнала возникает на границе лед — водная поверхность [61]. Однако пятна подледниковой воды не были связаны с крупными водоемами подо льдом. Существование подледниковых озер признано научным миром лишь после полевого сезона 1974-1975 гг., когда с самолета военно-морских сил США, оснащенного станцией радиолокационного зондирования Института полярных исследований Скотта, к северу от станции Восток были получены четкие отражения воды и отбиты границы огромного подледникового водоема. Так впервые были получены экспериментальные доказательства существования подледниковых озер в центральных районах Восточной Антарктиды. 12 ** В настоящее время предварительные исследования показали, что береговая линия озера Восток располагается в 4-х км на восток, 3-х км на запад от станции Восток. Мощность ледника в районе станции Восток составляет 3750 м, а слой воды подо льдом - 670 м. Далее по разрезу между дном озера и поверхностью акустического фундамента наблюдается дополнительный слой, отождествляемый с донными отложениями, которые имеют сложное строение и суммарную мощность от 90 до 330 м. По подсчетам российского гляциолога чл.-кор. РАН И.А. Зотикова [23] на ^ каждый квадратный километр тающей нижней поверхности льда будет выделяться около 20 тыс. м3 воздуха в год. Под действием давления более 30 МПа, возникающего из-за тяжести льда, весь воздух должен раствориться в воде и каждый литр ее будет содержать 0,1 л воздуха. Таким образом, в подледниковых водоемах создаются условия для поддержания жизни. Однако скважина, пробуренная над озером в толще льда и остановленная на глубине 3623 м (всего в 130 м от поверхности озера), пока воды не коснулась. ¦^ Для исключения возможности загрязнения подледникового озера посторонними включениями минерального, химического или биологического происхождения, было принято решение приостановить бурение скважины для проведения всесторонних исследований озера Восток дистанционными методами и разработки технологии экологически чистого вскрытия и отбора проб. Возможно, что полученные результаты привнесут в современную науку ч! новые данные о бактериальных формах жизни на Земле в отдаленные эпохи. Косвенным подтверждением этого являются результаты исследования керна и воды подледных водоемов, проведенные в последние годы в Гренландии. На рис. 1.1 показан, найденный на глубине 3000 м, фрагмент древесного происхождения [71]. 13 * 1 см Рис. 1.1 Фрагмент древесного происхождения 1.2. Подледниковое озеро Восток (Антарктида) В соответствии с данными радиолокационного зондирования, спутниковой радарной альтиметрии и сейсмозондирования [61,62,74,76], под ледяной толщей в районе станции Восток находится огромное озеро (рис. 1.2), имеющее площадь около 16000 км2. Результаты сейсмических исследований последних лет [74,76] говорят о том, что непосредственно под самой станцией Восток залегает мощный слой воды, являющийся юго-восточной оконечностью этого подледникового озера. Береговая линия озера располагается на удалении 3-х км на запад, 4-х км на юг от глубокой скважины 5Г-1. К северо-западу от скважины акватория подледникового озера продолжается на расстоянии более 230 км. Мощность водного слоя озера в районе станции Восток изменяется от 400 до 680 м. Общий объем водной массы может составить около 25000 км3. Максимальная, зарегистрированная, толщина водного слоя (в 70 км севернее станции) составляет 1100 метров. Ниже по разрезу, между дном озера и поверхностью акустического фундамента, наблюдается дополнительный слой, отождествляемый с донными отложениями мощностью от 90 до 330м. На глубине 3580 м скважина 5Г-1 вошла в слой конжеляционного льда, состоящий из кристаллов, размеры которых превышают 1 м. В настоящее время доказано, что этот лед образовался в результате намораживания озерной воды на подошву ледника [23]. Полученные характеристики подледникового озера Восток указывают наиболее благоприятное место проникновения в озеро. Это станция Восток (скважина 5Г-1), где относительно небольшая толщина 14 ледника, значительный слой водной толщи и донных отложений, а также развитая инфраструктура станции для выполнения различных видов научных исследований (рис. 1.3) [76]. 300 250 10 50^ Рис. 1.2. Геофизический профиль вдоль длиной оси озера Восток (по результатам сейсмо и радиолокационного зондирования) [61]. 15 Рис. 1.3. Разрез ледниковой толщи в районе озера Восток, сделанный на основе данных глубинного бурения и анализа ледяных кернов[62]. 16 1.3. Существующие способы стерильного отбора микробиологических проб изо льда и глубин моря Бурение ледникового покрова на станции Восток начато сотрудниками тогда Ленинградского, а ныне Санкт-Петербургского горного института еще в 1969г. Основной задачей этих работ было получение непрерывной колонки льда (керна) для изучения строения, структуры, вещественного состава и динамики ледникового покрова Антарктиды. Серийное оборудование для бурения скважин на глубину в несколько километров в Антарктиде по организационным и экономическим соображениям не может быть использовано, поэтому были разработаны специальные буровые снаряды на грузонесущем кабеле. При проходке снежнофирновых и ледовых отложений весьма эффективно был применен разработанный специалистами СПГГИ, комплект буровых снарядов: термобуровой снаряд для бурения «сухой» (не залитой низкотемпературной заливочной жидкостью) скважины ТЭЛГА-14М, термобуровые снаряды ТБЗС-152 и ТБЗС-112 для бурения с заливкой и электромеханические буровые снаряды КЭМС-152 и КЭМС-112. В результате на станции Восток пробурены три глубокие скважины, глубина которых превышает 2000 м: скважина №1 глубиной 2202 м (1985 г.), скважина №2 глубиной 2546 м (1989 г.). В 1999 г. на станции «Восток» была пробурена самая глубокая скважина во льду, глубиной 3623 м. Керн, извлеченный из этих и других, не таких глубоких пробуренных на станции Восток, скважин подвергался многочисленным исследованиям - гляциологическим, геофизическим, микробиологическим, геохимическим и др. При проведении микробиологических исследований льда основное внимание было уделено соблюдению двух основных условий [2]: - исключению попадания в пробу посторонней микрофлоры; - обеспечению на всех этапах опробования таких условий, при которых находящиеся во льду микроорганизмы сохраняли бы свою жизнеспособность. 17 *• Первое условие обычно достигается за счет стерилизации поверхности исследуемого образца известными методами термической, химической или лучевой стерилизации. Однако, при работе со льдом ни один из этих способов непригоден. Например, при термической стерилизации, которая является наиболее надежным и распространенным методом, на поверхности льда при сколь угодно высокой температуре всегда будет сохраняться пленка воды с температурой, близкой к 0°С, в которой может сохраниться жизнеспособная посторонняя микрофлора. v Поэтому был предложен способ микробиологического отбора проб льда, вообще не требующий предварительной стерилизации его поверхности. Он заключается в повторном бурении по керну с помощью специальной установки для стерильного отбора проб из ледяного керна УСЛ-ЗМ [9]. Эта установка позволяет выплавлять внутреннюю часть образца льда (керна), при этом наружная его часть служит надежным экраном, изолирующим пробу от окружающей среды, так как доказано, что лед при отсутствии жидкой фазы и трещин непроницаем для микроорганизмов. +¦ Наиболее ответственным моментом при отборе стерильной пробы является создание чистого участка на поверхности исследуемого образца, через который осуществляется отбор пробы. В установке УСЛ-ЗМ для этого предусмотрено специальное скалывающее устройство. Получение чистого участка поверхности скалыванием предпочтительнее любого другого метода, так как при этом не происходит контакта скалывающего инструмента с поверхностью скола и вероятность ее заражения посторонней микрофлорой сводится к минимуму. Важнейшим условием квалифицированного отбора микробиологических проб является обеспечение заданного температурного режима на всех этапах опробования. Температура, близкая к 100°С, является безусловно губительной для всех микроорганизмов, но некоторые из них могут погибнуть уже при +* +28°С. Поэтому технология отбора микробиологической пробы была Список литературы
