УДК 551
ТРАНСФОРМАЦИЯ ВЗВЕШЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НА ГРАНИЦЕ ВОДА-ДНО В МОРЯХ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ (ПО ИЗОТОПНЫМ И РАДИОИЗОТОПНЫМ ДАННЫМ)
© 2012 г. А. Ю. Леин, М. Д. Кравчишина, Н. В. Политова, А. С. Саввичев*, Е. Ф. Веслополова*, И. Н. Мицкевич*, Н. В. Ульянова, В. П. Шевченко, М. В. Иванов*
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997Москва, Нахимовский проспект, 36;
E-mail: lein@ocean.ru *Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН 117312 Москва, проспект 60-летия Октября, 7, корп. 2;
E-mail: savvichev@mail.ru Поступила в редакцию 30.03.2011 г.
В пяти шельфовых морях российской Арктики — Белом, Баренцевом, Карском, Восточно-Сибирском и Чукотском — выполнен комплекс биогеохимических исследований, включающих определение изотопного состава Сорг взвеси и Сорг поверхностного горизонта (0—1 см) осадков (более 260 определений 813С-Сорг). Цель исследования — установление причин, приводящих к изменению изотопного состава взвешенного органического углерода на границе вода-осадок. Показано, что изотопный состав Сорг осадков в морях со значительным речным стоком (Белое, Карское, ВосточноСибирское) не наследует изотопный состав Сорг взвеси, оседающей из водной толщи, а обогащается тяжелым изотопом 13С. В морях с небольшим речным стоком (Баренцево, Чукотское) наблюдается незначительная разница между величиной 813С-Сорг взвеси и 813С-Сорг осадка из-за низкого содержания во взвеси изотопно-легкого аллохтонного органического вещества (ОВ). В результате комплексных биогеохимических исследований с использованием радиоизотопных трассеров (14СО2, 35S, 14СН4) доказано, что на границе вода-осадок существует своеобразный микробный фильтр из гетеротрофов и автотрофов, препятствующий, с одной стороны, массовому поступлению в водную толщу продуктов разложения ОВ, а с другой стороны, сокращающий поступление части ОВ взвеси из водной толщи в осадки.
В морях и океанах основные превращения энергии и вещества происходят в пограничных зонах. Одной из таких зон является граница раздела водная толща—донные отложения, которая в силу объективных причин с трудом поддается прямым исследованиям. На эту границу сверху из водной толщи поступают взвесь и растворенные в морской воде компоненты, фиксируя окончание стадии седиментации, а снизу из верхних горизонтов осадков выносятся растворенные и газообразные соединения, образованные на стадии раннего диагенеза.
Источниками энергии для биогеохимических процессов на границе вода-осадок служит органическое вещество (ОВ), поступающее из взвеси, а также восстановленные соединения, поступающие из осадков.
В вертикальном профиле пограничной зоны вода—осадок ниже придонного слоя (2—10 м и более над дном) выделяются: 1 — наддонный слой, в 5—30 см от дна; 2 — наилок (fluffy layer, по терминологии западных исследователей) — слой взвеси над уплотненным осадком толщиной от долей до
нескольких сантиметров; 3 — поверхностный слой влажных (до 90%) осадков (рис. 1).
В пределах всех выделенных слоев пограничной зоны происходят активные биогеохимические процессы, в ходе которых потребляется кислород, меняется окислительно-восстановительный потенциал среды, преобразуется первичный состав взвеси.
В последние два десятилетия изотопный состав ОВ морей российской Арктики исследовался во многих экспедициях. Однако в них основное внимание уделялось ОВ донных осадков, а взвесь и в том числе ОВ взвеси не анализировались. Объяснением этого факта может служить то, что большинство исследователей предполагало идентичность изотопного состава Сорг взвеси и донных осадков.
Первые же данные по Карскому морю показали, что углерод осадков изотопно тяжелее углерода взвешенного ОВ (ВОВ) [Леин и др., 1996]. Это было подтверждено позднее на большом экспериментальном материале [Галимов и др., 2006].
Рис. 1. Пограничная зона вода-осадок (трубка Ниемисте). Двинской залив Белого моря, август 2006 г. 1 — наддонный слой 5—30 см от дна; 2 — наилок (fluffy layer) — слой взвеси над осадком, толщиной от долей сантиметра до первых сантиметров; 3 — поверхностный слой донных осадков (0.0—0.5 см). Диаметр трубки 14 см.
Однако цитируемые авторы затруднились дать какое-либо объяснение этому факту, возможно, потому, что ранее они утверждали, что в процессе транспорта частиц взвеси из водной толщи ко дну происходит облегчение изотопного состава ВОВ [Галимов, Кодина, 1982].
Углерод органического вещества в морских бассейнах формируется за счет аллохтонного ОВ, поступающего с суши с речным стоком и в составе аэрозолей и льдов, а также за счет автохтонного ОВ, синтезируемого морскими организмами в самом водоеме.
Изотопный состав аллохтонного ОВ зависит от ряда биохимических особенностей фотосинтеза наземных растений (С3 или С4 тип фотосинтеза), от изотопного состава растворенного в речных водах бикарбонат-иона, от доли почвенного, торфяного, болотного ОВ и других причин.
В речных водах бикарбонат-ион обеднен тяжелым изотопом 513С ( 513С-НС O- = -8.0... -15.0%) по сравнению с бикарбонат-ионом морской воды (513С-НС O- = -1.0.-5.0%) (рис. 2). Этим объясняется разница в изотопном составе углерода речного и морского фитопланктона, усваивающего растворенный бикарбонат-ион в процессе фотосинтеза. Значения 513С речного фитопланктона, например, в эстуарии р. Оби, изменяются от -28.0 до -37.0% (см. рис. 2). В целом значения 513С аллохтонного ОВ варьируют в более широком диапазоне - от -12 до -37% [Галимов, Ко-дина, 1982; Hayes, 2001].
Изотопный состав Сорг морских комплексов планктона варьирует от -20.0 до -22.0%. В работе [Галимов и др., 2006] приводятся более широкие пределы его значений для морского фитопланктона - от -24.6 до —28.0
Изучение изотопного состава ОВ донных осадков Арктики началось в конце прошлого столетия [Ш1ёи й а1., 1993; Rachold, НиЬЬеЛеп, 1999; Fernandes, 8кге, 2000; Naidu е! а1., 2000]. При этом изотопный состав углерода взвешенного ОВ (ВОУ) не анализировался. Большинство исследователей полагало, что изотопный состав Сорг донных осадков наследует изотопный состав ВОУ, поскольку осадки формируются из взвеси. Первые определения изотопного состава ВОУ были сделаны в сентябре—октябре 1993 г. в 49 рейсе НИС "Дмитрий Менделеев" в Карском море [Ле-ин и др., 1994; 1996]. В этих работах было показано, что величины 513С-Сорг взвеси (ВОУ) и Сорг осадков не идентичны.
Целью данной работы является установление причин изменения изотопного состава органического углерода взвеси при биогеохимических процессах, протекающих на стадии седиментации, на примере Белого моря и других морей российской Арктики.
организмов (ОЧМ), определяемая прямым счетом на мембранных фильтрах, и скорости микробных процессов метанобразования, метанокисления, темновой СО2-ассимиляции (ТАУ) и сульфатре-дукции с использованием радиоактивно меченых соединений углерода и серы. Определялись также содержание и молекулярный состав н-алканов во взвеси и поверхностном слое осадков. Отбор проб воды и взвеси проводили с помощью батометров Нискина по гидрологическим профилям на горизонтах, выделенных по результатам предворяюще-го гидрооптического и гидрофизического зондирования. Взвесь отбирали на борту судна методом вакуумной фильтрации через предварительно прокаленные стекловолокнистые фильтры Whatman GF/F диаметром 47 мм, с эффективным размером пор 0.7 мкм.
Содержание Сорг во взвеси и в осадках определяли после удаления карбонатов на экспресс-анализаторе АН-7560 (ИО РАН) путем регистрации СО2 при сжигании проб (Т° ~ 900°С) в токе воздуха, очищенного от СО2.
Изотопный анализ Сорг проводили в ИНМИ РАН на масс-спектрометре "Delta Plus" (Германия) после удаления из проб карбонатов. Инструментальная точность ±0.1%. Стандарт PDB.
Подробное описание использованных методов и полученных результатов биогеохимических исследований в Белом море содержится в публикациях [Саввичев и др., 2004; 2005; 2008; Кравчи-шина и др., 2008; Леин, Иванов, 2009; Иванов и др., 2010; Леин и др., 2010].
Экспериментальные данные, полученные для взвеси и осадков Белого моря и приведенные в перечисленных публикациях, сравниваются с собственными [Саввичев и др., 2001; 2004; 2005; 2007; 2010; Леин и др., 2007; 2008; Леин, Иванов, 2009] и литературными данными по другим арктическим морям [Мицкевич, Намсараев, 1994 Намсараев и др., 1995; Naidu et al., 1993; 2003 2004; Fahl et al., 1999; Rachold, Hubberton, 1999 Fernandes, Sicre, 2000; Krishnamurthy et al., 2001 Schubert, Calvert, 2001; Siberian river run-off in the Kara Sea ..., 2003; The Arctic Ocean Organic Carbon Cycles, 2003; 2003; Winkelmann, Knies, 2005; Stein, 2008].
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Пробы взвеси и донных осадков Белого моря собраны в августе 2003, 2005, 2006 гг. и в июле 2010 г. в экспедициях ИО РАН. В пробах воды, отобранных батометрами Нискина и трубкой Ниемисте, анализировались основные физико-химические параметры (рН, Е^ соленость, щелочность, содержание кислорода, фосфатного фосфора, аммиачного азота, растворенного кремния и метана). Охарактеризована также общая численность микро-
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Водная толща Белого моря формируется за счет смешения речных вод, главным образом, северодвинских, и баренцевоморских вод. Море характеризуется сложной системой течений, весьма существенными межгодовыми, межсезонными и даже суточными вариациями химического состава водной толщи, а также количества и состава взвеси и содержания в ней Сорг.
I Растворенный неорганический углерод: -9.7 (30 проб)
н-*-1 в речной воде
-5.4 -8.0 -2.7 (27 проб)
I-*-1
14.8
-1.0
5.0
5.0
в морской воде
:! . в воде эстуариев
8.5
II Речной (а) и морской (б) фитопланктон Арктики -32.3 (14 пр°б)
ч(а)
-18.0 -24.6
III Взвесь и донные осадки
-28.0
-26.5 (15 проб) —I (б)
37.0
-28.0
Белое море:
Бассейн, Двинский залив взвесь, поверхностный горизонт
2010 год 2006 год
-25.2 (10 проб) -28.8 (3 пробы)
23.8 -27.4-28.6 -29.3
Взвесь, придонные горизонт
-24.1 (4 пробы) -27.8 (3 пробы) -23.7^4.8-27.4^^
Наилок (0-0.5 см)
Кандалакшский залив, осадки литорали
-22.5 (6П4Юб)-25.02 (11 проб) I-а-1 I—А-1
-21.2
19.28 (7 проб) _А_,
24.43 -
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.