Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Распределение растворенного органического углерода в северо-восточной части Черного моря

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Распределение растворенного органического углерода в северо-восточной части Черного моря"

На правах рукописи

Костылева Anna Владимировна

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТВОРЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ

Специальность 25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

15 ¡'¡АР 2015

Геленджик - 2015

005561154

005561154

Работа выполнена в Южном отделении Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Научный руководитель: доктор географических наук

Маккавеев Петр Николаевич

Научный консультант: доктор биологических наук

Флинт Михаил Владимирович

Официальные оппоненты: Савенко Виталий Савельевич,

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный океанографический институт имени H.H. Зубова»

Защита состоится «12» мая 2015 года в 12 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 117997, Москва, Нахимовский проспект, д. 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://www.ocean.ru/disser/ Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

доктор геолого-минералогических наук, профессор, ведущий научный сотрудник кафедры гидрологии суши Географического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»

Коновалов Сергей Карпович,

доктор географических наук, доцент, заведующий Отделом биогеохимии моря Морского гидрофизического института, г. Севастополь

Автореферат разослан < » марта 2015 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

[нзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Растворенное органическое вещество (РОВ) - важный и пока недостаточно изученный компонент морской воды. Распределение и трансформация РОВ отражает особенность биогеохимических процессов, протекающих в водах. Значительная часть РОВ в морской воде представляет собой совокупность внешних метаболитов, выделяемых обитателями водной толщи. Эти вещества способны выступать в качестве ингибиторов, катализаторов различных процессов или сигнализаторов, влияя, таким образом, на всю экосистему в целом [Ааилов, 1971]. Выделяемое фитопланктоном или поступающее с речным стоком РОВ выполняет важную трофическую функцию, составляя основу «микробной петли». Способность бактерий окислять органические субстраты с выделением минеральных соединений определила РОВ важную роль в круговороте биогенных элементов. Немаловажное свойство РОВ - это способность выступать в роли комплексообразователя. Большая часть микроэлементов (Fe, Си, Zn и т.д.) присутствует в природных водах в виде комплексов с органическими лигандами [White, 2013]. Из этого вытекает транспортная роль РОВ, которая определяется переносом микроэлементов в водной среде. Наиболее достоверная количественная характеристика РОВ - растворенный органический углерод (РОУ), что и определяет важность его изучения.

Исследование динамики и распределения РОУ в черноморских водах представляет собой особый интерес. Уникальная природа Черного моря, самого крупного в мире анаэробного бассейна, дает возможность изучения разнообразных биогеохимических процессов. Будучи внутренней морской акваторией, Черное море особенно подвержено влиянию пресноводного материкового стока, основного источника биогенных элементов. Оценки РОУ материкового стока, района шельфа и континентального склона, а также распределение РОУ по глубине необходимы для понимания экологических и биогеохимических процессов, формирующих экосистему Черного моря.

Цель работы - исследовать временную и пространственную изменчивость РОУ для различных районов северо-восточной части Черного моря и выделить наиболее значимые процессы, влияющие на распределение РОУ. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1) Изучить распределение и динамику РОУ в прибрежной части Черного моря и на примере Сочи-Адлеровского района оценить влияние на РОУ различных видов антропогенной нагрузки.

2) На базе пятимильного разреза напротив Голубой бухты (г. Геленджик) изучить особенности распределения РОУ в верхнем деятельном слое, исследовать сезонный ход РОУ и показать связь РОУ с биогенными элементами и хлорофиллом-а (СЫ-а).

3) Изучить особенности вертикального распределения РОУ в открытой части моря, акцентировав внимание на слое перехода от аэробных к анаэробным условиям.

Достоверность полученных данных по РОУ определяется современным уровнем применявшегося аналитического оборудования и методов анализа. В рамках международной интеркалибрации «ОиаБтете» (Монако, 2010) было показано, что погрешность определения концентраций РОУ автором составляет 1.2% от измеряемой величины, что сопоставимо с точностью метода (1% при содержании РОУ < 5 цМ).

Научная новизна. В представленной работе впервые описываются данные по распределению РОУ, полученные с применением современного метода высокотемпературного каталитического окисления в широком разнообразии пелагических биотопов северо-восточной части Черного моря. Все данные получены одним аналитиком (автором работы) с применением одной и той же методики и оборудования, что обеспечивает высокую .степень сравнимости данных. Научная новизна работы более детально отражена в основных положениях, выносимых на защиту:

1) Показано, что наиболее широкий диапазон содержания РОУ наблюдается в приустьевых районах рек, что в первую очередь связано с антропогенной нагрузкой и во вторую - с природными свойствами вод.

2) Установлено, что в районах выноса речных вод, обедненных РОУ по сравнению с морскими водами, увеличение РОУ в большей степени связано не с аллохтонным выносом органического вещества, а со значительным поступлением из рек биогенных элементов, стимулирующих развитие фитопланктона на мористой границе зоны смешения.

3) Показано, что вне зоны речного влияния сезонный ход РОУ в эвфотическом слое определяется в первую очередь изменениями биомассы автотрофного фитопланктона.

4) Установлено, что экстремумы в вертикальном распределение РОУ привязаны к окислительно-восстановительной стратификации водного столба.

Практическая значимость. РОУ - на сегодняшний день самое доступное и самое надежное средство оценки РОВ. РОУ составляет примерно 50% от всего РОВ [Krogh, 1934; Скопинцев, 1975; Sharp, 2002]. Оценка содержания РОУ в морской воде необходима для изучения биогеохимического цикла углерода, т.е. комплекса процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами.

Измерения РОУ нужны для изучения процессов формирования окислительно-восстановительной стратификации и возникновения анаэробных условий, поскольку именно избыток РОВ по отношению к кислороду служит основной причиной возникновения сероводородного заражения.

РОВ составляет основу экологического метаболизма, выступая важным источником питания для различных организмов, главным образом - для гетеротрофных бактерий. Поэтому оценка РОВ является обязательным условием для построения трофодинамических моделей [Хайлов, 1971].

В прибрежных районах, находящихся под сильным влиянием материкового стока, содержание РОУ представляется индикатором

антропогенного воздействия, что делает РОУ важнейшим экологическим параметром при организации мониторинга прибрежных акваторий.

Личный вклад автора заключается в том, что он: самостоятельно занимался пуском и наладкой анализатора органического углерода; лично обработал все пробы РОУ, которые легли в основу этой работы; принимал участие в экспедициях по исследованию малых рек северо-восточной части Черного моря в 2009-2013 гг., в экспедициях по исследованию редокс-зоны Черного моря в 2010-2012 гг., а также в мониторинговых экспедициях на пятимильном разрезе на траверзе Голубой бухты (г. Геленджик); принимал участие в отборе и аналитической обработке проб на основные биогенные элементы и хлорофилл-а на исследуемых полигонах; выполнил обработку и анализ всех полученных данных за период исследования; обеспечил подготовку полученных результатов к публикации, а также представлял их на российских и международных конференциях и семинарах.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на коллоквиумах лаборатории биогидрохимии НО РАН в 2010-2014 гг., были представлены на Ученом совете ЮО ИО РАН в 2012 и 2015 гг., Ученом совете Отдела экологии морей и океанов ИО РАН в 2013 и 2014 гг., Ученом совете Физического направления ИО РАН в 2015 г., доложены на международной конференции по методам береговых исследований (август 2011, ASCE, Сан-Диего, США), 3-ем международном симпозиуме по асидификации океана (сентябрь 2012, Монтерей, США), XX международной конференции по морской геологии (ноябрь 2013, ИО РАН, Москва), на 3-ей международной конференции (школа-семинар) "Динамика прибрежной зоны бесприливных морей" (30 июня - 4 июля 2014 г.), на 3-ей Генеральной ассамблее и научном семинаре по проекту PERSEUS, Марракеш, Марокко, 1—4 декабря 2014.

Публикации соискателя по теме диссертации. Материалы диссертации изложены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них: 1 статья в ведущем российском рецензируемом издании из списка публикаций, рекомендованного ВАК [1]; 1 статья в трудах

зарубежной конференции, включенная в систему цитирования Scopus [2]; 2 статьи в коллективных монографиях [3, 8]; 8 тезисов в сборниках докладов на международных и российских конференциях [4—7, 9-12]. Еще 1 статья в российском рецензируемом издании из списка публикаций, рекомендованного ВАК, - в печати [13].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы. Полный объем диссертации -162 страницы, включая 65 рисунков и 10 таблиц. Библиографический список включает 197 наименований, в том числе 106 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи, отражены достоверность полученных результатов, научная новизна и практическая значимость работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, а также личный вклад автора и апробация результатов исследования.

В Главе 1 дано описание углерода в окружающей среде (раздел 1.1), приведена характеристика основных форм углерода в морской воде (раздел 1.2), рассмотрены методы определения РОУ и их классификация (раздел 1.3), приводится обзор литературы по изучению РОУ в Черном море (раздел 1.4).

В Главе 2 описывается район исследования (раздел 2.1) и методы, использованные в данной работе (раздел 2.2).

В основу диссертации положены исследования, проводившиеся ИО РАН и ЮО ИО РАН с 2010 по 2013 г. в северо-восточной части Черного моря (рис. 1) с участием автора. В данной работе представлены результаты со 129 станций. Всего было измерено 326 проб РОУ (табл. 1). Все отборы сопровождались зондированием с использованием профилографа.

Данные были собраны в рамках регулярного мониторинга на пятимильном разрезе около Голубой бухты (г. Геленджик) в 2012 году, программы по исследованию гидрохимических характеристик редокс-слоя в

2010-2012 гг., программы исследования влияния малых и средних рек на структуру прибрежных вод северо-восточной части Черного моря в 2011-2013

Таблица 1 - Общее количество измерений.

Параметр Т S 02 РН Alk Р04 Si N03 NO2 nh4 H2S РОУ Chl-a

Общее число проб 395 380 381 335 335 393 394 343 365 319 68 326 209

ш

Черное море

¡S32

с

28 30 32 34 36 38 40 В.Д.

37.8 38 38.2 38.4 В.Д. 39.4 39.6 39.8 40

Рисунок 1. Общая схема района исследований

РОУ определялся методом высокотемпературного каталитического окисления на анализаторе общего углерода «Vario TOC Cube» немецкой фирмы «Elementar». Измерения и построение калибровочной кривой проводились согласно руководству пользователя, предоставленного производителем. Пробы фильтровались через стекловолокнистые фильтры Whatman GF/F в день отбора. Далее профильтрованные пробы подкислялись концентрированной соляной кислотой до рН < 2 (на 60 мл пробы - 0.8 мл концентрированной соляной кислоты) и хранились в стеклянной посуде в холодильнике не более месяца. Непосредственно перед анализом пробы в течение 10 мин продувались аргоном для удаления неорганического углерода. Анализ проводился при температуре 850°С на платиновом катализаторе; объем пробы, поступающей в реактор - 400

мкл. Все пробы измерялись в четырех параллелях, для исключения случайных ошибок.

Каждое определение РОУ сопровождалось параллельным измерением основных гидрохимических параметров, которые определялись согласно стандартным методикам [Современные методы ..., 1992; Руководство..., 1993].

В Главе 3 рассматривается распределение РОУ в районе выноса рек района Большого Сочи. В разделе 3.1 даны общие сведения о стоке рек, впадающих в Черное море. В разделе 3.2 описывается объект исследования. Исследовались стоки четырех рек - Мзымты, Кудепсты, Сочи и Битхи. Основные гидрологические характеристики рек представлены в таблице 2.

Таблица 2 — гидрологические характеристики рек.

Название реки Длина, км Площадь водосбора, км2 Высота истока над уровнем моря, м Средний расход, м3/с Источник питания

Мзымта 89 885 2980 45,6 дождевой, подземный, сезонно-снеговой, снегово-ледниковый

Кудепста 23 85.4 780 3.4 дождевой, подземный

Сочи 45 296 1813 16.1 дождевой, подземный, сезонно-снеговой

Битха ~ 4 27 220 0.3 дождевой, подземный

В разделе 3.3 описываются результаты, а в разделе 3.4 - обсуждение результатов исследования материкового стока в районе Большого Сочи. Этот район характеризуется наиболее широким диапазоном изменения концентраций РОУ из трех, представленных в работе. Это связано с различными гидрологическими характеристиками рек и различной степенью антропогенной нагрузки. Концентрация варьировалась от почти 4700 цМ (устье Битхи) до 42 цМ (устье Мзымты) (рис. 2). При этом средняя концентрация РОУ в мористой части составляла около 220 цМ. В приустьевых районах Кудепсты и Сочи концентрация РОУ была около 170 цМ. Особенно обращает на себя

внимание экстремально высокое содержание РОУ в Битхе, в бассейне водосбора которой находится полигон твердых бытовых отходов.

43.38

39.60 39.70 39.80 39.90

градусы в.д.

Рисунок 2. Карта распределения РОУ по поверхности в районе выноса рек Большого

Сочи, 2012 г.

Меньше всего РОУ содержится в Мзымте, что связано с ее ледниковым происхождением. К тому же было отмечено снижение концентраций РОУ более чем в два раза в нижнем течении Мзымты перед устьем по сравнению с ее водами выше по течению (рис. 3).

На момент съемок перед самым устьем Мзымта испытывала существенную техногенную нагрузку, связанную со строительством берегоукрепительных сооружений, инфраструктуры грузового порта и разработкой инертных материалов. Обилие минеральной взвеси [Завьялов и Маккавеев, 2014], связанное с этими работами, способствует адсорбции органического вещества [Смирнов, 1982], что значительно уменьшает концентрацию РОУ. Стоит отметить, что соленость в точках с минимальной концентрацией РОУ соответствует солености речной воды (~ 0.06 реи). Поэтому подобное снижение концентрации не может быть связано с работой маргинального фильтра [Лисицын, 1994], и переход органического вещества из растворенной формы во взвешенную происходит большей частью по причине

влияния антропогенного фактора. Таким образом, измерения в районе стока Мзымты и протекающей через свалку бытовых отходов Битхи продемонстрировали, что РОУ может служить информативным индикатором материкового стока, в том числе и индикатором различных типов антропогенной нагрузки.

Рисунок 3. Распределение РОУ в устье р. Мзымты и выше по течению

Воды рек Мзымта, Кудепста и Сочи содержат меньше РОУ, чем морская вода. В районе их выноса по мере увеличения солености концентрации биогенных элементов падают, а содержание РОУ и СЫ-а наоборот увеличивается (рис. 4). Хорошо отражают степень обогащения морской воды РОУ по сравнению с речной зависимость отношений РОУ к минеральному фосфору (Р0У:Р043"), к кремнию (РОУгЭО и к минеральному азоту (РОУ:(Ж)3" +Ы02")) от солености на всем исследуемом полигоне (рис. 5). Отношение РОУ к биогенным элементам увеличивается в диапазоне солености от 4 до 16 рэи. Когда соленость начинает превышать 17 рзи, что характерно для поверхностных вод открытой части моря, отношение растворенного органического углерода к биогенным элементам достигает максимальных величин и практически перестает зависеть от солености. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что в районе выноса Мзымты, Кудепсты и Сочи имеет место «вторичное» накопление РОУ, связанное не с аллохтонным

выносом органического вещества, а скорее со значительным поступлением из рек биогенных элементов, которые стимулируют развитие фитопланктона на мористой границе зоны смешения.

8 10 12 14 16 18 Соленость, рай

10 12 14 18 18

Соленость, реи

Рисунок 4. Концентрации РОУ, СЫ-а, Р043", ЫОз" как функции солености на полигоне между выносом р. Мзымты и р. Кудепсты, 27.05.2011

о

Соленость, рви

Соленость, реи

12 14 16 18 Соленость, реи

Рисунок 5. Зависимость отношения РОУ к биогенным элементам как функции солености на полигоне между выносом р. Мзымты и р. Кудепсты, 27.05.2011 (черный), 29.05.11 (серый)

В Главе 4 рассматривается сезонная изменчивость РОУ и СЫ-а, а также основных биогенных элементов на 5-мильном разрезе напротив Голубой бухты в точках с глубинами 10, 25, 50, 100 и 500 м. Пробы отбирались со стандартных горизонтов 0, 10, 25, 50 и 70 м. Отбор проб проводился в 2012 году с апреля по ноябрь включительно с частотой 1-2 раза в месяц.

В разделе 4.1 описывается проблема изучения зависимости РОУ от биологических параметров, в частности СЫ-а. В разделе 4.2 приводятся результаты измерений изучаемых параметров. В течение года концентрация

РОУ в верхнем 50-метровом слое варьировалась от 167.58 до 346.67 рМ. Концентрации Chl-a изменялись в пределах от 0.01 до 1.39 мкг/кг. Максимальные концентрации РОУ и Chl-a отмечены в весенне-летний период. Уменьшение величин РОУ и Chl-a последовало сразу после наводнения, происшедшего 6 июля. Рекой было вынесено значительное количество биогенных элементов, особенно фосфатов (11.07.2012 на станции с глубиной 10 м концентрация фосфатов на поверхности составляла 33.25 рМ), однако за этим не последовало сильной вспышки цветения. Постепенное увеличение концентраций РОУ и Chl-a наблюдалось с сентября по конец ноября.

В разделе 4.3 приведено обсуждение полученных результатов. Высокие значения Chl-a и особенно РОУ преимущественно отмечались на прибрежных станциях (станции с глубинами 10 и 25 м), что обусловлено влиянием материкового стока, богатого биогенными элементами, стимулирующими развитие фитопланктона, а также продукцией макрофитобентосных сообществ [Хайлов, 1971; Сорокин, 1982].

В подавляющем большинстве случаев РОУ и Chl-a имели несхожее вертикальное распределение. Чаще всего максимальные концентрации РОУ обнаруживались ближе к поверхности, что обусловлено поверхностно-активной природой значительной доли органического вещества [Engel and Schartau, 1999; Azetsu-Scott and Passow, 2004], а также величиной первичной продукции, достигающей максимума в подповерхностном слое [Сорокин, 1982].

Однако при построении распределения по времени средних концентраций РОУ и Chl-a в верхнем 50-м слое наблюдается четкая прямая зависимость (рис. 6). Самые слабые зависимости были отмечены в точках с глубинами 25 и 10 м. Это может быть связано с продукцией макрофитов и влиянием берега. Наиболее сильные прямые зависимости были обнаружены в точках с глубинами 500, 100 и 50 м.

Поскольку Chl-a служит интегральной характеристикой биомассы одноклеточных водорослей, можно сделать вывод, что сезонная изменчивость РОУ прямо зависит от биомассы автотрофного фитопланктона.

Дата

Сравнение сезонного хода средних концентраций РОУ в верхнем 50-метровом слое с ходом средних концентраций основных биогенных элементов (Р043", Ы03", 81) не выявило четких зависимостей (рис. 7). Каждый рассмотренный биогенный элемент имеет свой сезонный ход, напрямую не связанный с ходом РОУ. Изменение концентраций биогенных элементов в течение года в большей степени связано с влиянием материкового стока, перемешиванием водных масс и с изменением видового состава в сообществе одноклеточных водорослей (т.е. с сукцессией). Структура лидирующего комплекса фитопланктона влияет на скорость потребления тех или иных биогенных элементов [Паутова и др., 2007; Силкин и др., 2013; Паутова и др., 2011]. Кроме того, процессы ассимиляции биогенных элементов, увеличения биомассы фитопланктона и выделения органического вещества разнесены по времени. Таким образом, разные механизмы влияния ведут к отсутствию прямой связи между РОУ и основными биогенными элементами.

Дата Дата

Рисунок 7. Сезонная динамика средних концентраций РОУ и основных биогенных элементов в верхнем 50-м слое

В Главе 5 описаны результаты исследования вертикального распределения РОУ. Особый упор был сделан на зону перехода от аэробных к анаэробным условиям. Представленные данные были получены в июле 2010, июне 2011 и июне 2012 г. Каждый раз проводилось одно подробное зондирование с использованием проточной системы для отбора гидрохимических проб, начиная с горизонта появления сероводорода (условная плотность ае ~ 16.2) до горизонта с условной плотностью ад = 15.4. Отбор проб проводился с шагом 5 метров. В 2010 и 2012 годах также отбирались пробы в ядре ХПС (холодный промежуточный слой) (ое от 14.45 до14.6) и слое пика флюоресценции.

В разделе 5.1 описано современное представление о структуре редокс-слоя (рис. 8) и дано определение окислительно-восстановительной стратификации. Условными границами редокс-слоя считаются: верхняя — слой максимума нитратов, нижняя - слой исчезновения окисленных форм марганца [Yakushev and Newton, 2013]. В разделе 5.2 приведены результаты гидрохимических исследований. В таблице 3 представлены границы редокс-слоя на исследуемых станциях:

Таблица 3 - Условные границы редокс-слоя на исследуемых станциях.

Дата взятия проб Верхняя граница редокс-слоя (максимум нитратов) Горизонт появления сероводорода

глубина, м ае глубина, м ае

02.07.2010 137.8 15.46 171.38 16.12

09.06.2011 137.9 15.48 161.8 16.08

26.06.2012 118.5 15.36 156.31 16.12

Ог75 рМ

ог15 рм о2~о рм H2s>o рМ

Рисунок 8. Современное представление о структуре редокс-слоя [Yakushev and Newton,

2013]

В разделе 5.3 приведено описание вертикального распределения РОУ и найдена доля РОУ в общем растворенном углероде. На рисунке 9 представлено распределение РОУ в поле плотности, основные окислительно-восстановительные зоны водного столба и происходящие в них процессы. Типы питания бактерий были взяты из работ [Горленко и др., 1977; Canfield et al., 2005]. Вертикальное распределение РОУ характеризуется следующими особенностями (рис. 9):

1) Первая особенность - максимальные концентрации РОУ были зафиксированы на поверхности: 227.58 цМ, 282.65 рМ, 356.65 |j.M для 2010, 2011 и для 2012 годов соответственно. Это связано с влиянием поверхностного микрослоя, а также со скоплением синтезируемого фитопланктоном поверхностно-активного органического вещества в подповерхностном слое (см. Главу 4).

Кислородный слой O.I

Слой кислород-дефицита \ 1 А (NO.) Л 4 L/V-

Субокисленный слой \ j / V / \ Субоксильный V / \/ \

СЛОЙ / \ \Mn(IV) ; Субвосстановленный слой <Мп(111)Д // V/ \ 1

Сероводородный слой /н\ V/wnfl \ / NH, \ )\

10-10.5 11 11.5 12 12.5-13

13.5 > 14.

14.5-15 15.5-16-16.5 17-

H2S

IV(a)

iV(b)

V

17.5 J

150 200 250 300 РОУ, jiM

350

Процессы Микроорганизмы Отношение к РОУ Зоны водного столба

I 11 III IV(a) IV(b) V

фотосинтез фитопланктон выделение + +

аэробная деструкция и процессы дыхания гетеротрофы (сапрофиты) потребление + + + +

нитрификация хемоавтотрофы выделение + + +

денитрификация гетеротрофы потребление + +

окисление кислородом соединений Мп и Ре гетеротрофы потребление +

анаммокс миксотрофы выделение/ потребление + +

восстановление окисленных форм Мп и Ре гетеротрофы потребление + +

сульфатредукция гетеротрофы потребление +

окисление метана хемоавтотрофы выделение +

ферментация (метаногенез, образование водорода) хемоавтотрофы выделение +

Рисунок 9. Основные зоны распределения РОУ от поверхности до сероводородого слоя и сопутствующие процессы (1 - профиль РОУ для 2010 г, 2 - для 2011, 3 - для 2012, 4 - усредненный расчетный профиль («типичный»), полученный на базе трех предыдущих). 1, II - аэробный слой, II - ХПС, III - слой кислород-дефицита, IV - субоксильный слой (IV(a) - субокислительный, IV(b) - субвосстановительный), V - анаэробый слой

2) Вторая особенность - снижение концентраций РОУ от поверхности до горизонта максимума NOj" (ffe ~ 15.4), т.е. до верхней границы субокислительной зоны, что обусловлено аэробным разложения органического вещества. Необходимо отметить локальный максимумом РОУ в ядре ХПС, который может быть связан со скоплением взвеси из-за плотностной ступеньки.

3) Третья особенность - увеличение концентраций РОУ в субокислительной зоне (в районе появления Mn III, IV), где концентрации РОУ вырастали до 189.00 цМ, 274.21 цМ, 297.29 рМ для 2010, 2011 и 2012 годов соответственно. Это может происходить за счет хемосинтетической активности [Сорокин, 1982], а также за счет разложения органического вещества взвеси, накопившегося в слое мутности [Скопинцев, 1975; Востоков, 1991; Coban-Yildiz et al, 2000]. Содержание РОУ в субокислительной зоне составляет до 83% от содержания РОУ на поверхности.

4) Четвертая особенность - минимальных концентраций РОУ достигает перед самым появлением H2S на нижней границе субвосстановительной зоны. Это связано с обилием окислительно-восстановительных процессов, протекающих в этой зоне при участии микроорганизмов (бактерии, археи), донором электронов в которых выступает растворенное органическое вещество. К этим процессам относятся: денитрификация, восстановление Mn III, IV до Mn II, восстановление Fe III до Fe II, сульфат-редукция, ферментация, а также восстановление С02 (метаногенез) [Libes, 2009].

5) Пятая особенность - в анаэробной зоне наблюдается некоторое увеличение концентраций РОУ, что может быть вызвано жизнедеятельностью хемоавтотрофных тионовых, метанокисляющих, метанобразующих, а также хемоавтотрофных водородных и бактерий, штаммы которых продуцируют органическое вещество в процессе хемосинтеза.

Таким образом, при анализе трех вертикальных профилей, полученных в поздневесенние и летние периоды, было обнаружено схожее поведение РОУ на

определенных относительных плотностях, что свидетельствует о четкой привязке РОУ к окислительно-восстановительной стратификации водного столба.

Рассчитано, что РОУ составляет примерно 6% от общего растворенного углерода (рис. 10). Максимальная доля РОУ приходится на поверхность (около 8.8%), а минимальная (около 5%) - на нижнюю границу субвосстановительной зоны. В субокислительной зоне доля РОУ составляет примерно 7.1% от общего растворенного углерода, отражая высокую насыщенность этого слоя органическим веществом.

РОУ

Рисунок 10. Среднее содержание в % растворенных форм углерода в слое от поверхности до появления сероводорода

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.

1. Наибольший диапазон изменения концентраций РОУ в северовосточной части Черного моря был характерен для зоны смешения речных и морских вод, рассмотренной на примере Сочи-Адлеровского района. Концентрация РОУ в районе влияния речного стока менялась от 42 рМ (река Мзымта) до 4678 рМ (река Битха) при среднем содержании РОУ в водах открытого моря около 220 рМ.

2. Экстремально высокое содержание РОУ в водах реки Битхи (4678 рМ), протекающих через свалку бытовых отходов поселка Лоо, и пониженное в реке Мзымте (42 рМ), в русле которой активно велась разработка инертных

материалов, демонстрировало два противоположных случая антропогенной нагрузки.

3. В районе выноса рек, обедненных РОУ (Мзымта, Кудепста и Сочи) по сравнению с морскими водами, имеет место «вторичное» накопление РОУ, связанное не с аллохтонным выносом органического вещества, а с поступлением из рек биогенных элементов, стимулирующих развитие фитопланктона на границе контакта морских и речных вод.

4. Вне зоны речного влияния, на шельфе и континентальном склоне, диапазон сезонных изменений концентраций РОУ в эвфотическом слое составил от 168 до 347 цМ. Максимальные величины наблюдались в весенне-летний период, минимальные - в середине лета. Наибольшие величины РОУ были характерны для прибрежных станций с глубинами 10-25 метров. В осенний период отмечено увеличение концентраций РОУ на 15-20% по сравнению с летним периодом.

5. Существует прямая зависимость между средними концентрациями РОУ и Chl-a в эвфотическом слое. Это свидетельствует о том, что биомасса автотрофного фитопланктона в большей степени определяет сезонный ход РОУ. Связь между РОУ и Chl-a ослабевает на прибрежных станциях, где, вероятно, велик вклад макрофитобентосных сообществ.

6. Изменчивость РОУ напрямую не связана с сезонным ходом концентраций основных биогенных элементов, что может быть объяснено временным разрывом между потреблением биогенных элементов и выделением РОУ клетками фитопланктона.

7. В открытой части моря вертикальное распределение РОУ привязано к окислительно-восстановительной стратификации водного столба. Положение экстремумов концентрации РОУ остается неизменным в поле плотности. Максимальное содержание РОУ (до 357 цМ) наблюдается на поверхности. Глубже следует уменьшение концентраций РОУ (~ 215 |дМ) до горизонта условной плотности 0е ~ 15.4, с локальным максимумом (~ 247 рМ) в холодном промежуточном слое (ав ~ 14.5). В субокислительной зоне (а0 ~ 15.4-15.8)

происходит увеличение содержания РОУ до 297 рМ, что составляет до 83% от содержания РОУ на поверхности. Минимальное содержание РОУ обнаружено у верхней границы сероводородной зоны (о0 ~ 16.0-16.1), где его концентрация падает до 161 рМ. В сероводородной зоне (ст9 ~ 16.1-16.4) происходит небольшое увеличение концентраций РОУ (~ 220 рМ).

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю П.Н. Маккавееву и научному консультанту М.В. Флинту за помощь и поддержку при выполнении работы, П.О. Завьялову за предоставленную возможность участия в экспедициях по изучению рек Сочи-Адлеровского района и его коллективу за помощь в сборе полевого материала, А.Г. Зацепину за проявленный к работе интерес и поддержку участия в международных конференциях, С.А. Мошарову за помощь в овладении методом экстракционного определения Chl-a и в обработке полевого материала, за плодотворные дискуссии, П.А. Стунжасу, Е.В. Якушеву и A.B. Дубинину за ценные советы. Автор благодарен Б.В. Коновалову за предоставленные данные по Chl-a в районе выноса рек Большого Сочи, признателен Е.Г. Арашкевич, A.B. Дрицу, А.Ф. Сажину, A.C. Микаэляну и другим коллегам из экологического сектора за помощь в биологической интерпретации данных, советы и замечания по тексту. Большое спасибо всем сотрудникам Лаборатории биогидрохимии ИО РАН и Лаборатории химии ЮО ИО РАН, а также всем коллегам и друзьям, которые помогали на различных этапах выполнения работы.

Работа выполнена при поддержке проекта Минобрнауки РФ, соглашение № 14.604.21.0044, уникальный идентификатор проекта RFMEFI60414X0044 - в части обработки и анализа данных измерений, проекта РНФ №14-17-00382 - в части подготовки к публикации статей и рукописи диссертации, и международного проекта PERSEUS - в части поддержки участия автора в международной школе и конференции с докладами по тематике диссертации.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Якушев Е.В. Об определении низких концентраций кислорода методом Винклера / Е.В. Якушев, E.JI. Виноградова, А.В. Дубинин, А.В. Костылева, Н.М. Меньшикова, C.B. Пахомова// Океанология.-2012.-Т. 52.-№ 1.-С. 131-138.

2. Kostyleva A.V. Influence of small rivers runoff on the hydrochemical structure of coastal waters of the north-eastern Black Sea / A.V. Kostyleva, O.I. Podymov, P.N. Makkaveev, A.A. Polukhin // Coastal Engineering Practice - Proceedings of the 2011 Conference on Coastal Engineering Practice. - 2011. - P. 286-297. ISBN: 978-0-7844-1190-2.

3. Podymov O.I. On Interannual Variability of chemical characteristics of redox layer and cold intermediate layer of the Black Sea / O.I. Podymov, E.V. Yakushev (ed.), A.V, Kostyleva // Chemical Structure of Pelagic Redox Interfaces: Observation and Modeling. The Handbook of Environmental Chemistry, Heidelberg: Springer, 2013.-Vol. 22.-P. 121-135.

4. Kostyleva A.V. Hydrochemical regime in the coastal waters northeastern Black Sea as an example of Gelendzhik and Golubaya bays / A.V. Kostyleva, V.K. Chasovnikov, N.M. Menshikova, V.P. Chjoo, N.L. Kuprikova // Abstracts of 41st International Liège Colloquium on Ocean dynamics. Science-based management of the coastal waters. May 4-8. - 2009. - P. 12.

5. Kostyleva A. Comparative study of the hydrochemical regime in the Gelendzhik and Golubaya Bays, northeastern Black Sea / A. Kostyleva, V. Chasovnikov, V. Chjoo, N. Menshikova, N. Kuprikova // Proceedings of EGU General Assembly 2009, 19-24 April, 2009, Vienna, Austria. - 2009. - Vol. 11. - P. 12679.

6. Пахомова С. Изменчивость гидрохимической структуры редокс-слоя Черного моря / С. Пахомова, Е. Виноградова, Г. Штерева, А. Костылева // Геология морей и океанов: Материалы XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. T. IV. - М.: ГЕОС, 2009. - С. 122-125.

7. Kostyleva A.V. Recent interannual and seasonal variability of pH in the northeastern Black Sea / A.V. Kostyleva, O.I. Podymov // The Ocean in a High-C02 World. Third International Symposium on Ocean Acidification: Conference

proceedings, September 24-27, Monterey, USA. - 2012. - P. 173.

8. Якушев E.B. О причинах завышения концентраций кислорода в редокс-слое

Черного моря при использовании метода Винклера / Е.В. Якушев, ЕЛ. Виноградова, А.В. Дубинин, А.В. Костылева, Н.М. Меньшикова, С.В. Пахомова, В.К. Часовников // Комплексные исследования Черного моря. М.: Научный Мир, 2011. - С. 212-223.

9. Костылева А.В. Биогеохимические особенности материкового стока российского сектора Черного моря в районе Большого Сочи / А.В. Костылева, С.В. Степанова, А.А. Полухин // Геология морей и океанов: Материалы XX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. IV. - М.: ГЕОС, 2013. - С. 70-74.

10. Kostyleva A.V. Seasonal variability of dissolved organic carbon and chlorophyll-a in north-eastern part of the Black Sea / Kostyleva A.V., Mosharov S.A., Podymov O.I., Kuprikova N.L. // Third International Seminar «Dynamics of the coastal zone in the non-tidal seas»: Materials of the school-seminar, 30 June-4 July 2014, Gelendzhik, Russia. - 2014. - P. 145-147.

11. Kostyleva A.V. Influence of small and medium rivers runoff on distribution of dissolved organic carbon in coastal zone of the north-eastern Black Sea // Third International Seminar «Dynamics of the coastal zone in the non-tidal seas»: Materials of the school-seminar, 30 June - 4 July 2014, Gelendzhik, Russia. -2014.-P. 116-118.

12. Kostyleva A.V. Seasonal variability of dissolved organic carbon, chlorophyll-a and major hydrochemical parameters in the north-eastern part of the Black Sea / L. Giannoudi (ed), N. Streftaris (ed), E. Papathanassiou (ed), A.V. Kostyleva, N.L. Kuprikova, S.A. Mosharov, E.V. Yakushev // PERSEUS Project 2nd Scientific Workshop, Marrakesh, 2014. Book of Abstracts. - 2014. - P. 13.

Работа из перечня изданий, рекомендованного ВАК, принятая к печати

13. Костылева А.В. Распределение растворенного органического углерода в приустьевых районах Большого Сочи (северо-восточная часть Черного моря) // Океанология. - 2015. - Т. 55. - № 2. - С. 224-230 (в печати).

Подписано в печать:

02.03.2015

Заказ № 10601 Тираж - 130 экз. Печать трафаретная. Объем: 1,25 усл.п.. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 \vww.autoreferat.ru