^ МОРСКАЯ
ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.465
ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ВЗВЕСИ В ОСАДОК В КАРСКОМ МОРЕ
© 2013 г. А. Ю. Леин1, П. Н. Маккавеев1, А. С. Саввичев2, М. Д. Кравчишина1, Н. А. Беляев1, О. М. Дара1, М. С. Поняев1, Е. Е. Захарова2, А. Г. Розанов1, М. В. Иванов2, М. В. Флинт1
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: lein@ocean.ru 2Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва e-mail: savvichev@mail.ru Поступила в редакцию 28.11.2012 г., после доработки 14.01.2013 г.
Проведено изучение биогеохимических процессов, участвующих в преобразовании вещества водной взвеси в осадки на меридиональном профиле р. Енисей — желоб Св. Анны (Карское море), с использованием гидрохимических, геохимических, микробиологических, радиоизотопных и изотопных методов. Зона контакта вода—осадок состоит из трех подзон: наддонной воды, наилка и поверхностного осадка. В наилке величина общей численности, биомасса и интегральная активность микроорганизмов (темновая 14СО2-ассимиляция), как правило, выше по сравнению с наддонной водой и осадком. В наилке происходит снижение концентрации кислорода и рост растворенных биогенных элементов. Сверху из водной толщи в наилок поступает взвешенное органическое вещество, обеспечивающее жизнедеятельность гетеротрофов, а снизу из осадков идет поток восстановленных соединений (NH4, H2S, CH4, Fe2+, Mn2+ и др.), необходимых для деятельности автотрофов. Изотопный состав Сорг наилка и осадков обогащен тяжелым изотопом 13С по сравнению с Сорг взвеси и осадка в среднем на 2—4%о за счет присутствия изотопно-тяжелой биомассы микроорганизмов. Изменение изотопного состава Сорг в наилке и поверхностном осадке по сравнению с Сорг взвеси — широко распространенное явление в арктических шельфовых морях, доказывающее ведущую роль микроорганизмов в преобразовании взвеси в осадок.
DOI: 10.7868/S0030157413050080
ВВЕДЕНИЕ
В преобразовании рассеянного вещества водной толщи (взвеси) в осадок участвуют различные по своей природе процессы, в том числе биогеохимические, действующие на всем пути движения частиц от водосбора до моря и особенно активно на границе вода—дно.
Количественные исследования скорости биогеохимических процессов и численности микроорганизмов, участвующих в этих процессах, с использованием радиоизотопных трассеров, в водной толще и в осадках Карского моря были начаты в 1993 г. [15, 16, 19, 20] и продолжены в 2007 г. [26]. В августе—сентябре 2001 г. в Карском море была изучена общая численность бактерий и величина бактериальной продукции с использованием метода меченого лейцина [33].
За последние 10 лет получены и обобщены экспериментальные данные по распределению и составу органического углерода (растворенный органический углерод (РОУ) и взвешенный органический углерод (ВОУ)) в водной толще и в осадках Карского моря [5, 24, 31, 38, 39]. В силу объективных причин (в первую очередь, из-за от-
сутствия пробоотборника) менее всего оказались изученными биогеохимические процессы, протекающие на границе водной толщи с осадком. Первые сведения о некоторых из этих процессов содержатся в работах [9, 13, 14].
Появление в арсенале экспедиционного оборудования пробоотборников типа трубки Нейми-сте и мультикорера, позволяющих сохранить зону контакта воды и осадка, дало возможность детально исследовать эту зону — одну из двух главных барьерных зон в морях и океане, наряду с зоной контакта вода—атмосфера.
Цель работы — изучение биогеохимических процессов превращения вещества взвеси в осадки с использованием гидрохимических, химических, микробиологических, изотопных и радиоизотопных методов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материал для исследования отбирался с помощью батометров Нискина комплекса Яо2еИе (водная толща) и мультикорером (наддонная вода, наилок и осадок). Всего изучено 20 станций на
643
5*
Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб воды и осадков в 59-м рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш" в Карском море (сентябрь, 2011 г.).
субмеридиональном профиле от устья р. Енисей до желоба Св. Анны (рис. 1).
Комплекс работ по отбору и изучению взвеси включает в себя параллельную фильтрацию под вакуумом через ядерные мембранные и стеклово-локнистые (GF/F) фильтры и исследования гранулометрии частиц взвеси на счетчике Коултера [11].
Ядерные мембранные фильтры использовали для получения величины концентрации взвеси, а также для изучения минерального и элементного химического состава взвеси.
Материал со стекловолокнистых фильтров использовали для определения содержания и изотопного состава (813С) органического (Сорг) и карбонатного (Скарб) углерода.
Пробы воды отбирали из поверхностного и придонного горизонтов (в двух метрах от дна) водной толщи батометрами Нискина комплекса Яо2еИе после предварительного получения результатов зондирования. В пробах определяли ряд гидрохимических параметров по методикам из работы [18], изотопный состав углерода бикар-
бонат-иона [14], содержание растворенного органического углерода [1], содержание метана, а также общую численность микроорганизмов (ОЧМ) и интегральную скорость микробных процессов темновой СО2-ассимиляции (ТАУ) определяли методами, описанными в работе [26].
Пробы наддонной воды и наилка из мультико-рера на анализы отбирали пипеткой или малыми шприцами. Для анализа наддонного слоя отбирали воду (сифоном) из трубок мультикорера (из столба воды 10—40 см). Влажный осадок из колонок отбирали и анализировали послойно. Осадки выталкивали пластиковым поршнем из вертикально стоящей трубки мультикорера по сантиметрам, корректируя мощность прослоя литоло-гическим описанием. В пробах осадков и в наилке определяли химический состав рентгенфлюорес-центным методом, минеральный состав — рент-гендифракционным. Содержание Сорг анализировали на экспресс-анализаторе АН-7560 путем регистрации СО2 при сжигании проб (Т = 900°С) в токе воздуха, очищенного от СО2 (аналитик Л.В.Демина) и на ТОС-анализаторе (аналитики Беляев Н.А., Поняев М.С.). Определение содержания нормальных углеводородов проводилось методом газовой хроматографии на хроматографе Shimadzu GC 2014. Изотопный состав карбонатного и органического углерода определяли на масс-спектрометре Delta Plus (Германия). Точность определения ±0.1%с [13].
Иловую воду отжимали центрифугированием на борту судна. На борту судна также определяли pH, Eh, Alk, P-PO4, Si, Ntot [18]. Солевой состав иловых вод (SO4, Cl, Ca, Mg) определяли методами классической химии (аналитик Г.А. Павлова) [27].
Скорости биогеохимических процессов в осадках — СО2-ассимиляции, сульфатредукции и метаногенеза - определяли радиоизотопным методом, описанным в работах [6, 26]. Для определения содержания СН4 использовали метод фазо-во-равновесной дегазации. Концентрацию метана измеряли на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором "Кри-сталл-200-ОМ". Содержание форм серы определяли по методике систематического фазового анализа (аналитик Н.М. Кокрятская) [4]. Общую численность микроорганизмов определяли по методике, описанной в работе [14].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Гидрохимическая структура вод на профиле р. Енисей—Карское море
Субмеридиональный профиль р. Енисей—желоб Св. Анны (в дальнейшем меридиональный профиль), выполненный 18—22 сентября 2011 г., охва-
тывает глубины от 13 м (ст. 5014) до 476 м (ст. 5026) (рис. 1). На этом профиле с юга на север выделяются области распространения пресных (речных) водных масс ^ водных масс зоны смешения (в эстуарии) речных и морских вод ^ водных масс внутреннего шельфа ^ водных масс внешнего шельфа ^ водных масс открытого моря ^ водных масс желоба Св. Анны.
Соленость поверхностных вод на профиле изменяется от 0.06 епс (табл. 1) до 33.4 епс. На самой южной станции (ст. 5013) соленые морские воды практически отсутствуют.
На современную гидрологию Карского моря влияние оказывает сток Оби и Енисея. Отметим также, что придонная вода более соленая — от 10—15 епс в эстуарии, до 34.5 епс на внешнем шельфе.
Зона смешения речных и морских вод во время работы экспедиции имела сложное строение и состояла из вертикальной фронтальной зоны, проходящей между станциями 5013 и 5018, и из горизонтальной фронтальной зоны, охватывающей южную часть моря (до ст. 5026), что демонстрируется на примере распределения величины общей щелочности (Alk).
Концентрация растворенного кислорода на профиле изменялась от 5.5 мл л-1 в придонных горизонтах станций 5010 и 5023 до 9.0 мл л-1 на ст. 5026, т.е. биологическая активность вод даже на мелководье была невысокой и не приводила к гипоксии. В водной толще трех южных устьевых станций наблюдались более высокие содержания аммонийного азота по сравнению с эстуарными и морскими станциями.
Концентрация растворенного органического углерода в поверхностном слое водной толщи изменяется от 5.95 мг л-1 в устье (ст. 5013) до 3.24 мг л-1 на шельфе (ст. 5026) (табл. 1, рис. 2). Изменение содержания РОУ консервативно, тесно связано с рассолонением обогащенного РОУ стока Енисея водами Карского моря.
Концентрация взвешенного органического углерода в поверхностном слое убывает от 407 мкг л-1 на устьевой ст. 5014 до 66 мкг л-1 на шельфовой ст. 5042 (рис. 2б). Доля же органического углерода во взвеси наоборот увеличивается от устья к шельфу (табл. 1), что может быть связано как с повышенным выпадением минеральной компоненты взвеси на барьере река-море, так и с обогащением взвеси новообразованным автохтонным органическим веществом.
Концентрация взвеси в поверхностном слое водной толщи уменьшается от устьевых станций к шельфовым - от 2.55 мг л-1 (ст. 5013) до 0.34 мг л-1 (ст. 5026), т.е. почти в девять раз (табл. 1, рис. 3). Здесь наблюдается обратная зависимость между
Ст. № 5026 5025 0
(а)
Ст. № 5026 5025 0
т-г
300 200
Расстояние, км (б)
5010 5011-2 5023 5018 5015
5013
I
500
т-1-г
400 300 200
Расстояние, км
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
600 500 400 300 200 100 0
Рис. 2. Распределение: (а) концентрации растворенного углерода (РОУ) и (б) Сорг взвеси (ВОУ) в водной толще на южном окончании меридионального профиля.
соленостью и концентрацией взвеси: чем выше с
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.