Введение к работе
Актуальность работы. Верхний слой донных отложений является зоной активных биогеохимических процессов, значительных вертикальных градиентов и потоков вещества и энергии между отложениями и придонным слоем вод. Наиболее важными веществами, характеризующими биогеохимические и биологические процессы на поверхности донных отложений, являются кислород и сероводород. Наличие кислорода обеспечивает существование бентосных сообществ, препятствует поступлению восстановленных форм элементов и загрязняющих веществ из донных отложений в придонный слой вод. Существенное снижение содержания кислорода (гипоксия), а особенно его исчезновение и появление сероводорода (аноксия), ведет к разрушению экосистем, возникновению источников вторичного загрязнения и эв-трофированию вод, катастрофическому снижению рекреационного и биопродукционного потенциалов акватории, возникновению значительного экономического ущерба (Black Sea INCOM Science Plan, 2000). Для анализа бюджета кислорода и сероводорода в водах Черного моря и прогноза возможных изменений в распределении этих веществ в глубоководной части моря, а также прогноза возникновения за-морных явлений на шельфе необходимы количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на границе донных отложений с водой, которые в настоящее время отсутствуют. Именно по этим причинам изучение особенностей распределения и потоков кислорода и сероводорода, а также процессов, определяющих их динамику, на поверхности и верхнем слое донных отложений является актуальной океанографической задачей, имеющей прикладное значение.
Донные отложения являются одним из ключевых элементов морских экосистем. Они представляют собой естественные гетерогенные многокомпонентные системы, с которыми традиционно ассоциируется конечный этап трансформации, миграции и аккумуляции различных веществ, в первую очередь загрязняющих веществ антропогенного характера. При изменении физико-химических условий донные отложения могут становиться источником вторичного загрязнения. Физико-химические условия в значительной степени определяются величиной окислительно-восстановительного потенциала, который в морских системах зависит от наличия и содержания таких противоположных с электрохимической точки зрения веществ, как кислород и сероводород (или его производных - сульфидов). Дефицит кислорода или полное его отсутствие (гипоксия и аноксия соответственно) способствуют смещению зоны восстановительных биогеохимических процессов ближе к поверхности отложений из-за уменьшения роли аэробных процессов. При этом изменяются окислительнс-воссгановительные условия среды, сопровождающиеся появлением восстановленных форм серы, в частности сероводорода, сначала в толще и на поверхности донных отложений, а затем и в слое воды.
Наличие, распределение и динамика содержания кислорода и сероводорода на границе воды и донных отложений зависят, с одной стороны, от физического потока кислорода из воды и сероводорода из отложений, а с другой - от биогеохимических процессов с участием кислорода и сероводорода в донных отложениях. Продукция сероводорода зависит в первую очередь от содержания и реакционной способности органического углерода в донных отложениях: окисление органического углерода
определяет потребление кислорода, а в его отсутствии - продукцию сероводорода. Наличие окисленных форм азота, железа и марганца определяет возможность окисления или связывания сероводорода в донных отложениях. В зависимости от распределения и величины потока кислорода и сероводорода на поверхности и в верхней части донных отложений изменяются характеристики зон дефицита кислорода в аэробной и прибрежной части Черного моря, интенсивность поступления или поглощения сероводорода в глубоководной анаэробной части моря. В связи с этим исследование районов с различными условиями формирования донных отложений и источниками органического вещества, а также изменения распределения и потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений являются чрезвычайно актуальными задачами, как для всего Черного моря, так и для побережья Крыма, имеющего первостепенное курортно-рекреационное значение и подверженного значительной антропогенной и техногенной нагрузке.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований Морского гидрофизического института НАН Украины (МГИ НАНУ) в рамках следующих завершенных и действующих научно-исследовательских тем и проектов:
тема НАН Украины «Междисциплинарные исследования фундаментальных процессов формирования и эволюции экосистемы глубоководной части Черного моря в условиях интенсивной антропогенной нагрузки, региональных вариаций и глобальных изменений климата» (шифр «Черное море»), ГР № 010Ш001020, 2001 -2005 гг., исполнитель;
тема НАН Украины «Исследование геофизических и биогеохимических процессов, определяющих устойчивость и ассимиляционную емкость большой черноморской системы, в целях управления и создания методологии оценки качества морской среды» (шифр «Стабильная экосистема»), ГР № 0106U001408, 2006 - 2010 гг., исполнитель;
тема НАН Украины «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, которые определяют функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского море на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий» (шифр «Фундаментальная океанология») ГР № 011Ш001420,2011-2015 гг., исполнитель;
Международный проект 7-ой рамочной программы «Monitoring and observing oxygen depletion throughout the different Earth system components» (шифр «HYPOX») ГР № 226213,2009 - 2012 гг., исполнитель;
Международный проект United States Civilian Research and Development Foundation For the Independent States of the Former Soviet Union «Controls on the distribution and fluxes of redox species at the oxic/anoxic bottom of the Black Sea», CRDF UKG2-2645-SE-05,2005 - 2007 гг., исполнитель;
Международный проект United States Civilian Research and Development Foundation For the Independent States of the Former Soviet Union «Numerical studies of physical exchange and biogeochemical transformations in the oxic/anoxic Cariaco Basin», CRDF UKG2-2924-SE-07,2008 - 2010 гг., исполнитель;
грант HAH Украины на реализацию проектов научно-исследовательских работ для молодых ученых НАН Украины «Гіпоксія: виникнення та розвиток в рай-
онах з різними джерелами надходження органічної речовини» (шифр «Гипоксия»), ГР № 011Ш005905,2011 - 2012 гг., руководитель;
- Международный проект 7-ой рамочной программы «People for Ecosystem Based Governance in Assessing Sustainable Development of Ocean and Coast» (шифр «PEGASO»), ГР№ 442 0111U008815,2010-2014 гг., исполнитель.
Цель и задачи исследования - целью диссертационной работы является оценка пространственно-временных особенностей распределения и факторов формирования величин потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений Черного моря (прибрежных, шельфовых и глубоководных районов), а также их влияния на содержание и распределение кислорода и сероводорода в придонном слое вод моря.
Для достижения цели работы решались следующие задачи:
-
Получить экспериментальные данные и сформировать базу данных распределения кислорода, сероводорода и других электрохимически активных веществ (окисленных и восстановленных форм железа и марганца: Fe (Ш, П), Mn (IT), FeSa,) на поверхности и в поровых водах верхнего слоя донных отложений прибрежных, шельфовых и глубоководных районов Черного моря с помощью метода полярографического профилирования.
-
Определить геохимические характеристики верхнего слоя донных отложений: влажность, пористость, содержание органического углерода.
-
Выявить пространственно-временные особенности и влияние различных факторов, процессов и механизмов на распределение кислорода и сероводорода на поверхности и в поровых водах донных отложений различных районов Черного моря.
-
Получить количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений.
-
Оценить влияние потоков кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений на характеристики придонного слоя вод (формирование зон дефицита кислорода в прибрежной и шельфовой части моря и запаса сероводорода в глубоководной его части).
Объект исследования - граница раздела между водами и донными отложениями, поверхностный слой донных отложений и придонный слой вод прибрежных, шельфовых и глубоководных районов Черного моря.
Предмет исследования - распределение и потоки кислорода и сероводорода на границе вода - донные отложения и в верхнем слое донных отложений Черного моря, их пространственно-временные особенности, факторы формирования и влияние на содержание кислорода и сероводорода в придонном слое вод.
Материалы и методы исследования. Колонки донных отложений были отобраны в период 2003 - 2013 гг. В шельфовой части - на 4-х станциях, в районе континентального склона - на 13-ти станциях, в глубоководной части - на 9-ти станциях. В прибрежных районах крымского побережья отбор проб колонок отложений осуществлялся в период 2006 - 2010 гг., охватывая все сезоны: Севастопольская бухта - отобрано 38 колонок в различных районах бухты, бухта Омега - 6, в районе мыса Тарханкут - 8. Структура данных позволила оценить сезонную изменчивость
для прибрежных районов, и пространственные особенности распределения характеристик поровых вод и донных отложений для всей акватории Черного моря.
В диссертационной работе использован метод полярографического профилирования для анализа поровых вод донных отложений и стандартные методы геохимического анализа: фотометрический анализ определения содержания органического углерода, гранулометрический анализ донных отложений, фотометрическое определение растворимых форм железа в донных отложениях, полярографическое определение серы и железа в составе пирита (FeS2) после его восстановления Сг(П) в кислой среде и в составе моносульфида железа (FeS) после его растворения в кислой среде.
Полученные экспериментальные данные анализировались с использованием классических методов химических балансов и стехиометрии, математической статистики, оптимальной аппроксимации вертикальных распределений кислорода и сероводорода, численных оценок профилей вертикальных потоков кислорода и сероводорода, а также балансов влияния потоков на поверхности донных отложений на содержание кислорода и сероводорода в придонном слое вод. Для более эффективного изучения закономерностей распределения и потоков кислорода и сероводорода на поверхности донных отложений на различных пространственно-временных масштабах использовался картографический метод исследования.
Научная новизна полученных результатов. Впервые получены систематические экспериментальные данные о распределении кислорода, сероводорода, Fe (III, П), Мп (П), FeS,,, на поверхности и в поровых водах верхнего слоя донных отложений прибрежных, шельфовых и глубоководных районов Черного моря с помощью метода полярографического профилирования.
Впервые проведено систематическое исследование пространственно-временных особенностей биогеохимических характеристик (концентрации кислорода, сероводорода, Fe (П, Ш), Мп (П) и FeSa,) поровых вод в комплексе с геохимическими характеристиками (влажность, пористость, содержание органического углерода) донных отложений различных районов Черного моря, а также влияния основных процессов на распределение кислорода и сероводорода на поверхности и в поровых водах верхнего слоя донных отложений.
Впервые получены количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на границе вода - донные отложения и в верхнем слое донных отложений на основе экспериментальных данных, а также изучено влияние этих потоков на содержание кислорода и сероводорода в придонном слое вод моря, эволюция распределения кислорода и сероводорода, и возникновение зон дефицита кислорода.
Практическое значение полученных результатов. Установленные закономерности пространственно-временного распределения кислорода и сероводорода в придонном слое вод и в верхнем слое донных отложений и оценка их потоков на границе донных отложений позволяют выполнить прогноз возникновения гипоксии и аноксии в прибрежных и шельфовых районах Черного моря, вызывающих замор-ные явления, что в значительной степени ухудшает рекреационный и биопродукционный потенциалы акватории. Исследование особенностей распределения кислорода и сероводорода в придонном слое вод и в верхнем слое отложений, оценка потоков сульфидов на границе донных отложений глубоководной части Черного моря, а
также факторов формирования структуры придонного слоя вод и верхнего слоя донных отложений прибрежных и шельфових районов могут быть использованы для усовершенствования учебных курсов географического и океанологического профилей в ВУЗах.
Личный вклад. Теоретико-методологические основы исследования разработаны автором совместно с научным руководителем. Личный вклад соискателя состоит в: отборе и анализе проб донных отложений, изучении биогеохимических процессов раннего диагенеза в донных отложениях прибрежных районов, глубоководной, шельфовой части Черного моря и района континентального склона. Используя полученные экспериментальные данные, выполнен анализ влияния основных биогео-химических процессов на распределение кислорода и сероводорода на поверхности и в верхнем слое донных отложений. Получены количественные оценки потоков кислорода и сероводорода на поверхности донных отложений и изучено их влияние на содержание этих веществ в придонном слое вод.
Автор работы принимал участие в научных экспедициях, отборе проб и последующем анализе донных отложений Севастопольской бухты в 2006 — 2010 гг., бухты Омега и района мыса Тарханкут в 2009 - 2010 гг.; международной океанологической экспедиции на НИС «Maria S. Merian» в ноябре - декабре 2013 г.
В работах, опубликованных с соавторами, конкретный вклад соискателя заключается:
в работах [1, 3,4,12] автором определено содержание органического и неорганического углерода в донных отложениях, посчитан коэффициент соотношения органической и неорганической форм углерода, сделан вывод о приоритете накопления органической формы углерода в донных отложениях;
в работах [2, 5, 8, 14, 16 - 19, 21, 22, 24, 29, 31] автором выполнено полярографическое профилирование поровых вод донных отложений, определены основные компоненты, принимающие участие в раннем диагенезе отложений, определены границы возникновения анаэробных условий, сделаны выводы о влиянии потока органического вещества, гранулометрического состава отложений на формирование структуры донных отложений;
в работах [6, 20] автором выполнено полярографическое профилирование донных отложений, изучено вертикальное распределение кислорода и сероводорода в поровых водах различных районов крымского побережья, сделан вывод об условиях возникновения гипоксии и аноксии в этих районах;
в работах [7,11, 13, 15, 25, 26, 30] определено содержание органического углерода в донных отложениях;
в работах [9, 23, 27] определены геохимические и биогеохимические характеристики донных отложений, выполнен расчет индексов, позволяющих оценивать экологическое состояние аквасисгемы и проводить сравнение экологического состояния аквасистем с различным типом и интенсивностью антропогенных нагрузок;
в работе [10] автором выполнен геохимический анализ донных отложений бухт севастопольского региона: определено содержание органического и неорганического углерода, гранулометрический состав, влажность. Изучено влияние физико-химических характеристик донных отложений на распределение микроэлементов;
- в работе [28] выполнено определение органического углерода в образцах донных отложений, сравнены методы определения органического углерода в донных отложениях морских экосистем с помощью «мокрого» сжигания и методом «потери при прокаливании».
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований, представленные в диссертации, неоднократно представлялись в МГИ НАН Украины на общенаучных институтских семинарах и семинарах отдела биогеохимии моря, а также на _ международных и всеукраинских научных конференциях, школах-семинарах: Международная летняя школа-семинар «Climate changes impact on marine ecosystems», Middle East Technical University, г. Анкара, Турция, 14 - 26 августа 2006 г.; Научная конференция «Ломоносовские чтения» 2007 года и Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2007», Черноморский филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, Севастополь, 3-4 мая 2007 г.; Международная конференция молодых ученых «Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины», Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь - п. Кацивели, 12 -14 июня 2007 г.; Вторая международная научно-техническая конференция «Навколишнє природне середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології - інтеграція освіти і науки», г. Одесса, 26 - 28 сентября 2007 г.; Международная летняя школа-семинар «Analysis of end to end food webs and Biogec-chemical Cycles», Middle East Technical University, г. Анкара, Турция, 11-16 августа 2008 г.; IV Всеукраинская школа-семинар для молодых ученых «Украинская наука и экологическая безопасность Азово-черноморского региона - 2008», Институт биологии южных морей НАН Украины, г. Севастополь, 15-18 сентября 2008 г.; IV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молоді науковці - географічній науці», Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, г. Киев, 20 - 23 ноября 2008 г.; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2008», Филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Севастополь, 24 - 25 апреля 2008 г.; I Всеукраинская научная конференции «Мониторинг природных и техногенных сред», Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, г. Симферополь, 25 апреля 2008 г.; VI Международная научно-практическая конференция молодых ученых по проблемам водных экосистем «Pontus Euxinus - 2009», Институт биологии южных морей НАН Украины, г. Севастополь, 21 - 24 сентября 2009 r.;~V Международная научно-практическая конференция «Проблеми природокористування, сталого jJ03BHncy та екологічної безпеки регіонів», г. Днепропетровск, 6-9 октября 2009 г.; V Всеукраинская конференция с международным участием «Молоді науковці - географічній науці», Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, г. Киев, 24 - 25 декабря 2009 г.; Международная научная конференция «Функционирование и эволюция экосистем Азово-Черноморского бассейна в условиях глобального изменения климата», Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь - п. Кацивели, 6-11 сентября 2010 г.; Международная школа-семинар «Ocean Teacher Academy Course DM: Introduction to Marine Data for Young scientists», г. Остенде, Бельгия, 6-10 сентября 2010 г.; V Всеукраинская школа-семинар для молодых ученых и специалистов «Научная молодежь и экологическая безопасность Азово-
черноморского региона», Институт биологии южных морей НАН Украины, г. Севастополь, 14 - 17 сентября 2010 г.; VI Всеукраинская конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Молоді науковці - географічній науці», Киевский национальный университет им. Т. Шевченко, г. Киев, 25 - 26 ноября 2010 г.; X Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2011» и X научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносовские чтения», г. Севастополь, Филиал МГУ имени М.В. Ломоносова, 26 - 28 апреля 2011 г.; VII Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Понт Эвксинский - 2011», Институт биологии южных морей НАН Украины, г. Севастополь, 24 - 27 мая 2011 г.; IV Международная конференция «Физические методы в экологии, биологии и медицине», г. Львов — г. Шацк, 15—18 сентября
2011 г.; VI Международная научно-практическая конференция «Проблемы приро
допользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов», г.
Днепропетровск, 8-11 ноября 2011 г.; Молодежный форум «Молодые ученые Ук
раины: пути интеграции», Институт биологии южных морей НАН Украины, г. Сева
стополь, 24-25 ноября 2011 г.; Всеукраинская научная конференция с междуна
родным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Географические и гео
экологические исследования в Украине и сопредельных территориях», Таврический
национальный университет им. В.И. Вернадского, г. Симферополь, 4-8 апреля
2012 г.; VI Всеукраинская школа-семинар «Научная молодежь за экологическую
безопасность Азво-Черноморского региона - 2012», Институт биологии южных мо
рей НАН Украины, г. Севастополь, 28-31 мая 2012 г.; Международная научная
конференция «Экологическая безопасность Приморских регионов» г. Ростов-на-
Дону, 05 - 08 июня 2012 г.; VII Международная научная конференция «Современ
ные рыбохозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона»,
посвященная 90-летию ЮгНИРО, Южный научно-исследовательский институт мор
ского рыбного хозяйства и океанографии, г. Керчь, 20 - 23 июня 2012 г.; ХШ Меж
дународная научно-техническая конференция «Современные методы и средства
океанологических исследований», Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН,
МГГУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 14-16 мая, 2013 г.; Vffl Международная науч
ная конференция «Современные рыбохозяйственные и экологические проблемы
Азово-Черноморского региона», Южный научно-исследовательский институт мор
ского рыбного хозяйства и океанографии, г. Керчь, 26 - 27 июня 2013 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 31 работе. Из них: монографий - 1 (в соавторстве); статей в научных журналах и сборниках научных трудов - 14; тезисов в сборниках материалов научных конференций - 16. Публикации [1 - 9] полностью отражают основные результаты диссертации и содержатся в изданиях, включенных в перечень ДАК МОН Украины: «географические науки». Публикации [2, 3] включены в международную наукометрическую базу SCOPUS. Работа [6] выполнена без соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 174 страницы печатного текста, в том числе 6 таблиц, 40 рисунков. Список литературы включает 89 наименований на 10 страницах.
