Обоснование эффективной технологии экологически чистого скважинного отбора микробиологических проб из подледниковых водоемов

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.

— 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 3551 м и 3607 м 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 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;

• 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 пробоотборникакассетного 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.

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 основного узла пробоотборника — блока биологических фильтров показали 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, СПГГИ (ТУ), 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, СПГГИ (ТУ),.

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 110 страницах машинописного текста, включает 25 рис., 5 табл., список использованной литературы из 85 наим., в том числе 18 зарубежных.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Разработанная технология отбора проб из подледникового водоема с помощью скважинных пробоотборников обеспечивает исследование проб воды неограниченного объема.

2. Предложенный способ экологически безопасного отбора проб из подледниковых водоемов может быть реализован на практике с помощью разработанного и защищенного патентом на изобретение № 2 244 913, Б.И.№ 2, пробоотборника ПСП-2.

3. Данные, полученные при проведении лабораторных исследований процесса отбора проб из подледниковых водоемов, свидетельствуют о достоверности полученного приближенного аналитического решения и пригодности разработанной на его основе методики расчетов для обоснования конструктивных параметров кассетного блока биологических фильтров и проектирования режимов пробоотбора.

4. Разработанная математическая модель процесса отбора микробиологической пробы с помощью кассетного блока фильтров определяет режимы пробоотбора с учетом условий в подледниковых водоемах.

5. Проведенные исследования подтверждают эффективность отбора проб данным методом и позволяют наметить пути дальнейшего совершенствования скважинного пробоотборника и технологии отбора проб с его применением.