Relationship of the processes of aerobic oxidation and anaerobic destruction of organic matter in the bottom sediments of coastal waters of Crimea (Black Sea)
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Abstract
The relationship between water masses and bottom sediments is obvious. This primarily refers to the formation of oxygen regime and self-purification of water bodies. Stoichiometric ratios allow assessing certain parameters of energy metabolism associated with oxygen consumption. The aim of this work is to determine the possible contribution of aerobic and anaerobic processes to the destruction of organic matter in bottom sediments of various areas of the Crimean coast by interpreting the data on oxygen consumption. The total oxygen consumption rate was measured using a respirometry camera hermetically connected to an HQ40D oxygen sensor with LDO oximeter. To suppress bacterial activity and reveal the rate of oxidation of reduced anaerobiotic products, the antibiotic streptomycin was used. Vertical sounding of the bottom sediment strata in the Belbek River paleochannel showed an increase with depth of oxidative potential and a subsurface peak of anaerobic activity. Due to the limited diffusion of oxygen, the rate of hydrogen sulfide oxidation in the surface layer was comparable to the rate of its formation in the underlying sediment layer. A higher level of aerobic oxygen consumption and content of reduced compounds was observed in the bottom sediments of the Chernaya River paleochannel in contrast to its slopes. Increased concentration of hydrogen sulfide is due to the higher rate of its formation at relatively low rates of oxidation. In the Sevastopol Bay, the experimentally measured oxygen consumption by a unit of the bottom surface in the 0.6-cm sediment layer averaged 2.18 μg·cm−2·h−1. In the Kruglaya Bay, certain differences in the dynamics of reduced compounds (H2S) were registered between the oxidized background areas and the zones of reduced bottom sediments (sulfurettes). In sulfurettes, the calculated values for concentration, oxidation rate, and formation of hydrogen sulfide were higher by 32, 29, and 57%, respectively. The maximum rate of organic matter decomposition, up to 4.05 μg·cm−3·h−1, was recorded in the Sevastopol Bay and the adjacent water areas, with the anaerobic component accounting for a larger share. The share turned out to be quite high in the Kruglaya Bay as well, but there, aerobic destruction prevailed. This is due to differences in both the targeted use of the bays and the granulometric composition of bottom sediments. In sulfurette sediments, against the backdrop of the rate of oxidation of organic substances equal to that of the background area, anaerobic utilization occurred more than 2 times more intensive. Its absolute value corresponded to the level characteristic of the open-sea coastal areas, in particular, the Belbek River paleochannel.
Authors
References
Горшкова Т. И. Биогеохимия современных морских осадков и их биологическое значение // Труды ВНИРО. 1974. Т. 48, вып. 1, ч. 2. С. 135–144. [Gorshkova T. I. Biogeochemistry of modern marine sediments and their biological significance. Trudy VNIRO, 1974, vol. 48, iss. 1, pt 2, pp. 135–144. (in Russ.)]
ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества : взамен ГОСТ 26213-84; введ. 1993-07-01. Москва : Издательство стандартов, 1992. 8 с. [GOST 26213-91. Pochvy. Metody opredeleniya organicheskogo veshchestva : vzamen GOST 26213-84; vved. 1993-07-01. Moscow : Izdatel’stvo standartov, 1992, 8 p. (in Russ.)]
Гулин М. Б., Коваленко М. В. Палеорусла рек Чёрная и Бельбек на шельфе юго-западного Крыма – новый объект экологических исследований // Морской экологический журнал. 2010. Т. 9, № 1. С. 23–31. [Gulin M. B., Kovalenko M. V. Paleo-rivers Chernaya and Belbek at the continental shelf of southwestern Crimea – new object of ecological researches. Morskoj ekologicheskij zhurnal, 2010, vol. 9, no. 1, pp. 23–31. (in Russ.)]. https://repository.marine-research.ru/handle/299011/1051
Денисов В. И. Закономерности образования взвешенного материала на шельфе Чёрного моря : дис. … канд. геогр. наук : 11.00.01. Ростов-на-Дону, 1998. 299 с. [Denisov V. I. Zakonomernosti obrazovaniya vzveshennogo materiala na shel’fe Chernogo morya. [dissertation]. Rostov-on-Don, 1998, 299 p. (in Russ.)]
Егоров В. Н., Пименов Н. В., Малахова Т. В., Канапацкий Т. А., Артёмов Ю. Г., Малахова Л. В. Биогеохимические характеристики распределения метана в воде и донных осадках в местах струйных газовыделений в акватории Севастопольских бухт // Морской экологический журнал. 2012. Т. 11, № 3. С. 41–52. [Egorov V. N., Pimenov N. V., Malakhova T. V., Artemov Yu. G., Kanapatsky T. A., Malakhova L. V. Biogeochemical characteristics of methane distribution in sediment and water at the gas seepage site of Sevastopol bays. Morskoj ekologicheskij zhurnal, 2012, vol. 11, no. 3, pp. 41–52. (in Russ.)]. https://repository.marine-research.ru/handle/299011/1230
Игнатьева О. Г., Овсяный Е. И., Романов А. С., Коновалов С. К., Орехова Н. А. Оценка состояния карбонатной системы вод и изменения содержания органического углерода в донных осадках Севастопольской бухты по данным наблюдений за 1998–2005 годы // Морской гидрофизический журнал. 2008. № 2. С. 57–67. [Ignat’eva O. G., Ovsyanyi E. I., Romanov A. S., Konovalov S. K., Orekhova N. A. Analysis of state of the carbonate system of waters and variations of the content of organic carbon in bottom sediments of the Sevastopol Bay in 1998–2005. Morskoi gidrofizicheskii zhurnal, 2008, no. 2, pp. 57–67. (in Russ.)]
Карначук О. В. Бактериальная сульфатредукция в прибрежных морских осадках : автореф. дис. … канд. биол. наук : 03.00.07. Абовян, 1989. 23 с. [Karnachuk O. V. Bakterial’naya sul’fatreduktsiya v pribrezhnykh morskikh osadkakh : avtoref. dis. … kand. biol. nauk : 03.00.07. Abovyan, 1989, 23 p. (in Russ.)]
Ломакин П. Д., Попов М. А. Оценка степени загрязнения и перспектива экологических исследований вод Балаклавской бухты // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2014. Вып. 28. С. 195–213. [Lomakin P. D., Popov M. A. Otsenka stepeni zagryazneniya i perspektiva ekologicheskikh issledovanii vod Balaklavskoi bukhty. Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa, 2014, iss. 28, pp. 195–213. (in Russ.)]
Моисеенко О. Г., Орехова Н. А. Исследование механизма многолетней эволюции цикла углерода в экосистеме Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2011. № 2. С. 72–83. [Moiseenko O. G., Orekhova N. A. Investigation of the mechanism of the long-term evolution of the carbon cycle in the ecosystem of the Sevastopol Bay. Morskoi gidrofizicheskii zhurnal, 2011, no. 2, pp. 72–83. (in Russ.)]
Орехова Н. А. Гипоксия и аноксия в донных осадках крымского побережья // Географія та туризм : науковий збірник / відп. ред. Я. Б. Олійник. Київ : Альтерпрес, 2010. Вип. 4. С. 146–152. [Orekhova N. A. Gipoksiya i anoksiya v donnykh osadkakh krymskogo poberezh’ya. In: Heohrafiia ta turyzm : naukovyi zbirnyk / Ya. B. Oliinyk (Ed.). Kyiv : Al’terpres, 2010, iss. 4, pp. 146–152. (in Russ.)]
Орехова Н. А., Моисеенко О. Г., Коновалов С. К. Исследование геохимических характеристик Севастопольской бухты // Современные рыбохозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона : материалы VIII Международной конференции, 26–27 июня 2013 г. Керчь : ЮгНИРО, 2013. С. 55–58. [Orekhova N. A., Moiseenko O. G., Konovalov S. K. Study of the Sevastopol Bay geochemical features. Current Fishery and Environmental Problems of the Azov and Black Seas Region : materials of VІII International Conference. Kerch, 26–27 June, 2013. Kerch : YugNIRO Publishers, pp. 55–58. (in Russ.)]
Орехова Н. А., Коновалов С. К. Кислород и сульфиды в донных отложениях прибрежных районов Севастопольского региона // Океанология. 2018a. Т. 58, № 5. С. 739–750. [Orekhova N. A., Konovalov S. K. Oxygen and sulfides in bottom sediments of the coastal Sevastopol region of Crimea. Okeanologiya, 2018a, vol. 58, no. 5, pp. 739–750. (in Russ.)]. https://doi.org/10.1134/S0030157418050106
Орехова Н. А., Коновалов С. К. Кислород и сульфиды в верхнем слое донных отложений Чёрного моря // Система Чёрного моря / ред. А. П. Лисицын. Москва : Научный мир, 2018b. С. 542–559. [Orekhova N. A., Konovalov S. K. Kislorod i sul’fidy v verkhnem sloe donnykh otlozhenii Chernogo morya. In: Sistema Chernogo morya / A. P. Lisitsyn (Ed.). Moscow : Nauchnyi mir, 2018b, pp. 542–559. (in Russ.)]
Орехова Н. А., Овсяный Е. И., Гуров К. И., Попов М. А. Органическое вещество и гранулометрический состав современных донных отложений Балаклавской бухты (Чёрное море) // Морской гидрофизический журнал. 2018. № 6. С. 523–533. [Orekhova N. A., Ovsyany E. I., Gurov K. I., Popov M. A. Organic matter and grain-size distribution of the modern bottom sediments in the Balaklava Bay (the Black Sea). Morskoi gidrofizicheskii zhurnal, 2018, no. 6, pp. 523–533. (in Russ.)]. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2018-6-523-533
ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.32-02. Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений содержания сухого и прокалённого остатка в твёрдых и жидких отходах производства и потребления, осадках, шламах, активном иле, донных отложениях гравиметрическим методом / Государственный комитет РФ по охране окружающей среды. Москва, 2002. 15 с. [PND F 16.2.2:2.3:3.32-02. Kolichestvennyi khimicheskii analiz pochv. Metodika vypolneniya izmerenii soderzhaniya sukhogo i prokalennogo ostatka v tverdykh i zhidkikh otkhodakh proizvodstva i potrebleniya, osadkakh, shlamakh, aktivnom ile, donnykh otlozheniyakh gravimetricheskim metodom / Gosudarstvennyi komitet RF po okhrane okruzhayushchei sredy. Moscow, 2002, 15 p. (in Russ.)]
Сапожников В. В., Метревели М. П. Стехиометрическая модель органического вещества – основа количественного изучения продукционно-деструкционных процессов в океане // Труды ВНИРО. 2015. Т. 155. С. 137–141. [Sapozhnikov V. V., Metrevely M. P. Organic matter stoichiometry as a basis for quantitative studies of production and destruction processes in the oceans. Trudy VNIRO, 2015, vol. 155, pp. 137–141. (in Russ.)]
Чекалов В. П. Абсорбция кислорода донными осадками прибрежных районов Севастополя (Чёрное море) в процессе утилизации органического вещества // Морской биологический журнал. 2016. Т. 1, № 4. С. 44–52. [Chekalov V. P. Oxygen absorption in the oxidation of organic compounds in the coastal sediments of Sevastopol (the Black Sea). Morskoj biologicheskij zhurnal, 2016, vol. 1, no. 4, pp. 44–52. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2016.01.4.06
Jørgensen B. B. Mineralization of organic matter in the sea bed–the role of sulphate reduction. Nature, 1982, vol. 296, pp. 643–645. https://doi.org/10.1038/296643a0
Osadchaya T. S., Ovsyaniy E. I., Kemp R., Romanov A. S., Ignatieva O. G. Organic carbon and oil hydrocarbons in bottom sediments of Sevastopol Bay (the Black Sea). Morskoj ekologicheskij zhurnal, 2003, vol. 2, no. 2, pp. 94–101. https://repository.marine-research.ru/handle/299011/711