Redox conditions of bottom sediments and macrozoobenthos characteristics in the Kruglaya and Kazachya bays (Sevastopol)
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Abstract
A lack of systemic and environmentally efficient approach to exploitation of the Kruglaya and Kazachya bays (Sevastopol) resulted in their severe pollution. The conjunction of natural and anthropogenic factors led to deterioration of habitat conditions of benthic communities. The aim of this work was to carry out complex research of Kruglaya and Kazachya bays’ ecosystems to study peculiarities of formation of redox conditions in bottom sediments and bottom water layer, as well as their effect on macrozoobenthos characteristics. Bottom sediments were sampled by diver in plexiglass tubes hermetically sealed at the top and bottom; it helped in preserving a fine structure of bottom sediments and bottom water layer. To study benthic communities, samples were taken in the same spot with a manual sampler. To obtain chemical composition of pore waters with high vertical resolution, the voltammetry analysis was carried out. Calculation of an oxygen flux at the boundary and in the upper layer of bottom sediments was performed according to the vertical profile of oxygen concentration in pore waters and geochemical analysis with applying the equation for the Fick’s first law and considering concentration gradient and molecular diffusion of oxygen in pore waters. Standard hydrobiological methods were applied for the analysis of benthic material. When calculating the values of the Shannon diversity index (H’), the binary logarithm was used. The data analysis showed as follows: a high level of anthropogenic load and restricted water dynamics resulted in siltation of bottom sediments in the studied water areas, which obstructed oxygen penetration; the accumulation of organic carbon contributed to its active consumption. Stratification of a water column due to limited water exchange, high temperature of bottom water, accompanied by a decrease in oxygen solubility, and finely dispersed nature of bottom sediments contributed to the fact that the rate of oxygen input was lower than the rate of oxygen consumption for organic matter oxidation. This was followed by the development of oxygen deficiency zones and emergence of reduced compounds, in particular hydrogen sulfide. Importantly, suboxic conditions prevailed in the upper sediment layer, and anaerobic conditions prevailed below. Due to this, the main forms of macrozoobenthos were species tolerant to oxygen deficiency and organic pollution. Specifically, in some spots of the Kazachya Bay, polychaetes alone were recorded. At the same time, in the Kruglaya Bay mouth area, intense water dynamics and morphological peculiarities of bottom sediments contribute to saturation of the upper sediment layer with oxygen. Based on oxygen concentration data for the surface (0–5 mm) sediment layer (pore waters) and on geochemical peculiarities of bottom sediments (moisture and porosity), the oxygen flux at st. 4 (the Solenaya Bay) was calculated; the value was 0.73 M·m−2·year−1. Considering oxygen concentration in bottom water layer (259 μM), the time for complete depletion of oxygen or its renewal is about 5 months if taking into account biogeochemical processes alone. Hence, it can be assumed that the ecosystems of the Kruglaya and Kazachya bays are in the stage of degradation. Their further exploitation without a developed systemic and rational approach will result in a critical deterioration of the ecosystems – the emergence and spread of environmental risk zones. It will reduce the recreational and socioeconomic attractiveness of these areas.
Authors
References
Берлинский Н. А., Гаркавая Г. П., Богатова Ю. И. Проблемы антропогенного эвтрофирования и развития гипоксии в северо-западной части Чёрного моря // Экология моря. 2003. Вып. 63. С. 17–22. [Berlinsky N. A., Garkavaya G. P., Bogatova J. I. Anthropogenic eutrophication problems and hypoxia development in the northwestern part of the Black Sea. Ekologiya morya, 2003, iss. 63, pp. 17–22. (in Russ.)]
Волков И. И. Химические элементы в толще глубоководных осадков Чёрного моря // Исследования по химии моря. Москва : Наука, 1973. С. 148–171. (Труды Института океанологии им. П. П. Ширшова ; т. 63). [Volkov I. I. Khimicheskie elementy v tolshche glubokovodnykh osadkov Chernogo morya. In: Issledovaniya po khimii morya. Moscow : Nauka, 1973, pp. 148–171. (Trudy Instituta okeanologii im. P. P. Shirshova ; vol. 63). (in Russ.)]
Заика В. Е., Коновалов С. К., Сергеева Н. Г. Локальные и сезонные явления гипоксии на дне севастопольских бухт и их влияние на макробентос // Морской экологический журнал. 2011. Т. 10, № 3. С. 15–25. [Zaika V. E., Konovalov S. K., Sergeeva N. G. The events of local and seasonal hypoxia at the bottom of the Sevastopol bays and their influence on macrobenthos. Morskoj ekologicheskij zhurnal, 2011, vol. 10, no. 3, pp. 15–25. (in Russ.)]
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. 57–66. [Ignat’yeva 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. 57–66. (in Russ.)]
Куфтаркова Е. А., Ковригина Н. П., Родионова Н. Ю. Гидрохимический режим района, прилегающего к бухте Омега, и факторы, его формирующие // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа : сб. науч. тр. / Мор. гидрофиз. ин-т. Севастополь, 1999. С. 175–189. [Kuftarkova E. A., Kovrigina N. P., Rodionova N. Yu. Gidrokhimicheskii rezhim raiona, prilegayushchego k bukhte Omega, i faktory, ego formiruyushchie. Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa : sb. nauch. tr. / Mor. gidrofiz. in-t. Sevastopol, 1999, pp. 175–189. (in Russ.)]
Куфтаркова Е. А., Родионова Н. Ю., Губанов В. И., Бобко Н. И. Гидрохимическая характеристика отдельных бухт Севастопольского взморья // Труды Южного научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии. 2008. № 46. С. 110–117. [Kuftarkova E. A., Rodionova N. Yu., Gubanov V. I., Bobko N. I. Hydrochemical characteristics of several bays of Sevastopol coast. Trudy Yuzhnogo nauchno-issledovatel’skogo instituta rybnogo khozyaistva i okeanografii, 2008. no. 46, pp. 110–117. (in Russ.)]
Лосовская Г. В. Об индикаторных и толерантных видах полихет (на примере Северо-Западной части Чёрного моря) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2011. Вып. 25, т. 1. С. 327–334. [Losovskaya G. V. On indicator and tolerant species of polychaetes (in the northwestern Black Sea). Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa, 2011, iss. 25, vol. 1, pp. 327–334. (in Russ.)]
Люцарев С. В. Определение органического углерода в морских донных отложениях методом сухого сожжения // Океанология. 1986. Т. 26, № 4. С. 704–708. [Ljutsarev S. V. The determination of organic carbon in the sea bottom sediments by means of dry oxidation. Okeanologiya, 1986, vol. 26, no. 4, pp. 704–708. (in Russ.)]
Макаров М. В. Таксоцен Mollusca в эпифитоне морской травы Zostera sp. в акватории бухты Казачья (Чёрное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2018. № 3. С. 92–97. [Makarov M. V. The taxon of molluscs in epyphiton marine grass Zostera sp. in the Kazachya Bay (the Black Sea). Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon morya, 2018, no. 3, pp. 92–97. (in Russ.)]. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2018-3-92-97
Макаров М. В. Современное состояние малакофауны рыхлых грунтов в вершинной части бухты Казачьей (Чёрное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 1. С. 119–130. [Makarov M. V. The current state of malacofauna at soft bottoms in the Kazachya Bay head (the Black Sea). Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon morya, 2020, no. 1, pp. 119–130. (in Russ.)]. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2020-1-119-130
Миронов О. Г., Кирюхина Л. Н., Алёмов С. В. Экологическая характеристика бухты Казачьей (Черное море) // Экология моря. 2002. Вып. 61. С. 85–89. [Mironov O. G., Kirukhina L. N., Alyomov S. V. Ecological characteristic of Kazachya Bay (the Black Sea). Ekologiya morya, 2002, iss. 61, pp. 85–89. (in Russ.)]
Миронов О. Г., Кирюхина Л. Н., Алёмов С. В. Санитарно-биологические аспекты экологии севастопольских бухт в XX веке. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2003. 185 с. [Mironov O. G., Kirjukhina L. N., Alyomov S. V. Sanitary-Biological Aspects of the Sevastopol Bays Ecology in XX Century. Sevastopol : EKOSI-Gidrofizika, 2003, 185 p. (in Russ.)]
Миронова Н. В., Панкеева Т. В. Пространственное распределение запасов макрофитов в бухте Круглой (Чёрное море) // Экосистемы. 2019. Вып. 19 (49). С. 16–26. [Mironova N. V., Pankeeva T. V. The spatial distribution of stock of macrophytes in Kruglaya Bay (the Black Sea). Ekosistemy, 2019, iss. 19 (49), pp. 16–26. (in Russ.)]
Митропольский А. Ю., Безбородов А. А., Овсяный Е. И. Геохимия Чёрного моря. Киев : Наукова думка, 1982. 144 с. [Mitropol’skii A. Yu., Bezborodov A. A., Ovsyanyi E. I. Geokhimiya Chernogo morya. Kyiv : Naukova dumka, 1982, 144 p. (in Russ.)]
Нейман А. А., Карпинский М. Г. Влияние на бентос трофических отношений в шельфовом сообществе: трофическая структура и воздействие выедания // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. 2013. Т. 6, № 4. С. 368–387. [Neyman A. A., Karpinsky M. G. Influence of trophic relations in the shelf communities on benthos: Trophic structure and the effects of grazing pressure. Journal of Siberian Federal University. Biology, 2013, vol. 6, iss. 4, pp. 368–387. (in Russ.)]
Овсяный Е. И., Орехова Н. А. Накопление органического вещества в донных отложениях бухты Казачья (Чёрное море) как следствие антропогенной нагрузки // Метеорология и гидрология. 2019. № 5. С. 85–93. [Ovsyanyi E. I., Orekhova N. A. Accumulation of organic carbon in bottom sediments of the Kazach’ya Bay (the Black Sea) resulting from anthropogenic load. Meteorologiya i gidrologiya, 2019, no. 5, pp. 85–93. (in Russ.)]
Орехова Н. А., Овсяный Е. И., Тихонова Е. А. Органическое вещество и окислительно-восстановительные условия в донных отложениях Балаклавской бухты // Учёные записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского. Биология. Химия. 2019a. Т. 5 (71), № 3. С. 49–64. [Orekhova N. A., Ovsyanyi E. I., Tikhonova E. A. Organic carbon and redox conditions in bottom sediments of the Balaklava Bay. Uchenye zapiski Krymskogo federal’nogo universiteta imeni V. I. Vernadskogo. Biologiya. Khimiya, 2019a, vol. 5 (71), no. 3, pp. 49–64. (in Russ.)]
Орехова Н. А., Коновалов С. К. Кислород и сероводород в верхнем слое донных отложений Чёрного моря // Система Чёрного моря. Москва : Научный мир, 2018a. С. 542–559. [Orekhova N. A., Konovalov S. K. Oxygen and hydrogen sulfide in the upper layer of the Black Sea bottom sediments. In: The Black Sea System. Moscow : Nauchnyi mir, 2018a, pp. 542–559. (in Russ.)]
Определитель фауны Чёрного и Азовского морей. Свободноживущие беспозвоночные. Киев : Наукова думка, 1968. Т. 1. 437 с. [Opredelitel’ fauny Chernogo i Azovskogo morei. Svobodnozhivushchie bespozvonochnye. Kyiv : Naukova dumka, 1968, vol. 1, 437 p. (in Russ.)]
Определитель фауны Чёрного и Азовского морей. Свободноживущие беспозвоночные. Киев : Наукова думка, 1969. Т. 2. 536 с. [Opredelitel’ fauny Chernogo i Azovskogo morei. Svobodnozhivushchie bespozvonochnye. Kyiv : Naukova dumka, 1969, vol. 2, 536 p. (in Russ.)]
Определитель фауны Чёрного и Азовского морей. Свободноживущие беспозвоночные. Киев : Наукова думка, 1972. Т. 3. 340 с. [Opredelitel’ fauny Chernogo i Azovskogo morei. Svobodnozhivushchie bespozvonochnye. Kyiv : Naukova dumka, 1972, vol. 3, 340 p. (in Russ.)]
Панкеева Т. В., Миронова Н. В., Новиков Б. А. Картографирование донной растительности бухты Круглая (г. Севастополь, Чёрное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2019. Вып. 3. С. 61–71. [Pankeeva T. V., Mironova N. V., Novikov B. A. Mapping of bottom vegetation of Kruglaya Bay (the Black Sea, Sevastopol). Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon morya, 2019, iss. 3, pp. 61–71. (in Russ.)]. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2019-3-61-71
Розанов А. Г., Волков И. И. Донные осадки Кандалакшского залива Белого моря: марганцевый феномен // Геохимия. 2009. № 10. С. 1067–1085. [Rozanov A. G., Volkov I. I. Bottom sediments of Kandalaksha Bay in the White Sea: The phenomenon of Mn. Geokhimiya, 2009, no. 10, pp. 1067–1085. (in Russ.)]
Санитарно-биологические исследования в прибрежной акватории региона Севастополя / под ред. О. Г. Миронова ; ИнБЮМ НАН Украины. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2009. 192 с. [Sanitary-Biological Investigations in Coastal Area of Sevastopol Region / O. G. Mironov (Ed.) ; InBYuM NAN Ukrainy. Sevastopol : EKOSI-Gidrofizika, 2009, 192 p. (in Russ.)]
Санитарно-биологические исследования прибрежных акваторий юго-западного Крыма в начале XXI века / под ред. О. Г. Миронова, С. В. Алёмова ; Институт морских биологических исследований имени А. О. Ковалевского РАН. Симферополь : АРИАЛ, 2018. 276 с. [Sanitary and Biological Studies of the South-Western Crimea Coastal Waters at the Beginning of XXI Century / O. G. Mironov, S. V. Alyomov (Eds) ; Kovalevsky Institute of Marine Biological Research of RAS. Simferopol : ARIAL, 2018, 276 p. (in Russ.)]
Соловьёва О. В., Тихонова Е. А., Клименко Т. Л., Скрыпник Г. В., Вотинова Т. В. Органические вещества донных отложений в условиях урбанизации побережья // Океанология. 2019. Т. 59, № 2. С. 234–242. [Soloveva O. V., Tikhonova E. A., Klimenko T. L., Skrupnik G. V., Votinova T. V. Organic substances of sea bottom sediments in conditions of the coast urbanization (for example Kazachiya Bay, the Black Sea). Okeanologiya, 2019, vol. 59, no. 2, pp. 234–242. (in Russ.)]. https://doi.org/10.31857/S0030-1574592234-242
Тихонова Е. А. Исследование накопления и выведения нефтяных углеводородов моллюсками Abra segmentum в экспериментальных условиях // Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка. Серія: біологія. 2010. № 3 (44). С. 280–282. [Tikhonova E. A. Issledovanie nakopleniya i vyvedeniya neftyanykh uglevodorodov mollyuskami Abra segmentum v eksperimental’nykh usloviyakh. Naukovi zapysky Ternopilskoho natsionalnoho pedahohichnoho universytetu imeni Volodymyra Hnatiuka. Seriia: biolohiia, 2010, no. 3 (44), pp. 280–282. (in Russ.)]
Тихонова Е. А., Алёмов С. В. Характеристика донных осадков и макрозообентоса б. Казачья в первой декаде XXI века // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2012. Вып. 26, т. 1. С. 88–94. [Tikhonova E. A., Alyomov S. V. The characteristics of bottom sediments and macrozoobenthos of the Kazachya Bay in the first decade of the XXI century. Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa, 2012, iss. 26, vol. 1, pp. 88–94. (in Russ.)]
Тихонова Е. А., Рубцова С. И. Процессы накопления и выведения нефтяных углеводородов двустворчатыми моллюсками в экспериментальных условиях // Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка. Серія: біологія. 2012. № 2 (51). С. 280–282. [Tikhonova E. A., Rubtsova S. I. Protsessy nakopleniya i vyvedeniya neftyanykh uglevodorodov dvustvorchatymi mollyuskami v eksperimental’nykh usloviyakh. Naukovi zapysky Ternopilskoho natsionalnoho pedahohichnoho universytetu imeni Volodymyra Hnatiuka. Seriia: biolohiia, 2012, no. 2 (51), pp. 280–282. (in Russ.)]
Химия океана. Геохимия донных осадков / под ред. И. И. Волкова. Москва : Наука, 1979. Т. 2. 536 с. [Khimiya okeana. Geokhimiya donnykh osadkov / I. I. Volkov (Ed.). Moscow : Nauka, 1979, vol. 2, 536 p. (in Russ.)]
Belan T. A., Moshchenko A. V. Pollution indicator species in the communities of soft bottom macrozoobenthos in Amursky Bay (Peter the Great Bay, Sea of Japan). In: Ecological Studies and the State of the Ecosystem of Amursky Bay and the Estuarine Zone of the Razdolnaya River (Sea of Japan). Vladivostok : Dal’nauka, 2009, vol. 2, pp. 147–172.
Brendel P. J., Luther G. W. Development of a gold amalgam voltammetric microelectrode for the determination of dissolved Fe, Mn, O2, and S(–II) in porewaters of marine and freshwater sediments. Environmental Science & Technology, 1995, vol. 29, iss. 3, pp. 751–761. https://doi.org/10.1021/es00003a024
Cabral H., Fonseca V., Sousa T., Costa Leal M. Synergistic effects of climate change and marine pollution: An overlooked interaction in coastal and estuarine areas. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2019, vol. 16, iss. 15, art. no. 2737 (17 p.). https://doi.org/10.3390/ijerph16152737
Dean H. K. The use of polychaetes (Annelida) as indicator species of marine pollution: A review. Revista de Biologia Tropical, 2008, vol. 56, suppl. 4, pp. 11–38.
Ducrotoy J.-P. Threats to the coastal zone. In: Coastal Wiki : [site]. 2021. URL: http://www.coastalwiki.org/wiki/Threats_to_the_coastal_zone [accessed: 27.10.2021].
Harley C. D. G., Hughes A. R., Hultgren K. M, Miner B. G., Sorte C. J. B., Thornber C. S., Rodriguez L. F., Tomanek L., Williams S. L. The impacts of climate change in coastal marine systems. Ecology Letters, 2006, vol. 9, no. 2. pp. 228–241. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2005.00871.x
Hyacinthe C., Anschutz P., Carbonel P., Jouanneau J.-M., Jorissen F. J. Early diagenetic processes in the muddy sediments of the Bay of Biscay. Marine Geology, 2001, vol. 177, iss. 1–2, pp. 111–128. https://doi.org/10.1016/S0025-3227(01)00127-X
Meysman F. J. R., Middelburg J. J., Herman P. M. J., Herman P. M. J., Heip C. H. R. Reactive transport in surface sediments. I. Model complexity and software quality. Computers & Geosciences, 2003, vol. 29, iss. 3, pp. 291–300. http://dx.doi.org/10.1016/S0098-3004(03)00006-2
Orekhova N. A., Konovalov S. K. Polarography of the bottom sediments in the Sevastopol Bay. Physical Oceanography, 2009, vol. 19, no. 2, pp. 111–123. https://doi.org/10.1007/S11110-009-9038-6
Orekhova N. A., Konovalov S. K. Oxygen and sulfides in bottom sediments of the coastal Sevastopol region of Crimea. Oceanology, 2018b, vol. 58, no. 5, pp. 679–688. https://doi.org/10.1134/S0001437018050107
Orekhova N. A., Konovalov S. K., Medvedev E. V. Features of inorganic carbon regional balance in marine ecosystems under anthropogenic pressure. Physical Oceanography, 2019b, vol. 26, iss. 3, pp. 225–235. https://doi.org/10.22449/1573-160X-2019-3-225-235
Osadchaya N. S., Ovsyanyi 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.
Rabalais N. N., Turner R. E., Díaz R. J., Justić D. Global change and eutrophication of coastal waters. ICES Journal of Marine Science, 2009, vol. 66, iss. 7, pp. 1528–1537. https://doi.org/10.1093/icesjms/fsp047
Water Framework Directive Intercalibration Technical Report. Part 3: Coastal and Transitional Waters / A. Carletti, A. S. Heiskanen (Eds). Luxembourg : Office for official publications of the European communities, 2009, 240 p. (JRC Scientific and Technical Reports.) http://dx.doi.org/10.2788/19561