Морской гидрофизический журнал. 2022; 38: 637-654
Формирование зон экологического риска в прибрежных акваториях Керченского пролива
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-6-637-654Аннотация
Цель. Изучить особенности гидролого-гидрохимической структуры придонного слоя вод и распределения геохимических параметров в толще донных осадков; оценить основные факторы формирования окислительно-восстановительных условий в донных отложениях Керченского пролива – цель настоящей работы.
Методы и результаты. Комплексные исследования экосистемы Керченского пролива были выполнены в июле и сентябре 2020 г. Гидрохимические исследования водной толщи выполнялись с помощью стандартных гидрохимических методик. Были получены профили вертикального распределения кислорода, сероводорода, окисленных и восстановленных форм железа в поровых водах, а также определены геохимические характеристики донных отложений. Рассмотрены особенности их пространственного и вертикального распределения. Отбор проб колонок отложений проводился с помощью ручного пробоотборника и акриловой грунтовой трубки с внутренним диаметром 60 мм и вакуумным затвором. Для получения химического профиля поровых вод применялся полярографический метод анализа с использованием стеклянного Au-Hg-микроэлектрода. Отмечено, что в июле в поверхностном горизонте гидрохимическая структура вод определялась вкладом черноморских вод, в придонном – азовских. Установлено, что в летний период в поверхностном слое Таманского залива наблюдалось повышенное содержание биогенных веществ, а повышенная температура вод и соленость, а также активное потребление кислорода в придонном слое привели к уменьшению степени его насыщения в центральной части залива. В результате это способствовало заилению Таманского залива, интенсивному потреблению кислорода на окисление органического вещества и развитию анаэробных условий, появлению сероводорода уже в поверхностном слое донных отложений. В сентябре основной вклад вносили черноморские воды, что способствовало насыщению придонного слоя вод кислородом и снижению концентрации биогенных веществ в 2–3 раза. При этом в сентябре кислород проникал в осадок до 2 мм, а содержание сероводорода было в 3 раза ниже, чем в июле.
Выводы. Установлено, что затрудненный водообмен в районе Таманского залива и накопление органического вещества в донных отложениях за счет поступления значительного количества взвеси привели к ограничению потока кислорода в придонный слой вод, а мелкодисперсный характер осадков затрудняет поступление кислорода в донные отложения. В результате это приводит к заилению Таманского залива, интенсивному потреблению кислорода на окисление органического вещества и развитию анаэробных условий, появлению сероводорода уже в поверхностном слое донных отложений. Отмеченные в настоящее время бескислородные условия в верхнем слое отложений могут привести к развитию дефицита кислорода в придонном слое вод и формированию зон экологического риска в экосистеме Керченского пролива.
Список литературы
1. Брянцев В. А. Возможные экологические последствия сооружения Тузлинской дамбы (Керченский пролив) // Морской экологический журнал. 2005. Т. 4, № 1. С. 47–50.
2. Еремеев В. Н. , Иванов В. А. , Ильин Ю. П. Океанографические условия и экологические проблемы Керченского пролива // Морской экологический журнал. 2003. Т. 2, № 3. С. 27–40.
3. Ломакин П. Д. , Боровская Р. В. Характеристика современного состояния системы течений в Керченском проливе на базе спутниковых и контактных наблюдений // Исследование Земли из космоса. 2006. № 6. С. 65–72.
4. Фомин В. В. , Иванов В. А. Совместное моделирование течений и ветрового волнения в Керченском проливе // Морской гидрофизический журнал. 2007. № 5. С. 3 –20.
5. Orekhova N. A., Konovalov S. K. Oxygen and Sulfides in Bottom Sediments of the Coastal Sevastopol Region of Crimea // Oceanology. 2018. Vol. 58. Р. 679–688. doi:10.1134/S0001437018050107
6. Diaz R. J. Overview of Hypoxia around the World // Journal of Environmental Quality. 2001. Vol. 30, iss. 2. P. 275–281. doi:10.2134/jeq2001.302275x
7. Reactive transport in surface sediments. I. Model complexity and software quality / F. J. R. Meysman [et al.] // Computers & Geosciences. 2003. Vol. 29, iss. 3. P. 291 –300. doi:10.1016/S0098-3004(03)00006-2
8. Natural and human-induced hypoxia and consequences for coastal areas: synthesis and future development / J. Zhang [et al.] // Biogeosciences. 2010. Vol. 7. P. 1443–1467. doi:10.5194/bg-7-1443-2010
9. Лосовская Г. В. Об индикаторных и толерантных видах полихет (на примере северо-западной части Черного моря) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2011. Вып. 25, т. 1. С. 327–334.
10. Распространение вод из Керченского пролива в Черное море / А. А. Алескерова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 6. С. 53–64. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-53-64
11. Горячкин Ю. Н., Кондратьев С. И., Лисиченок А. Д. Гидролого-гидрохимические характеристики и динамика вод в Керченском проливе в марте 2004 г. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2005. № 12. С. 108–119.
12. Котельянец Е. А. , Коновалов С. К. Тяжелые металлы в донных отложениях Керченского пролива // Морской гидрофизический журнал. 2012. № 4. С. 50–60.
13. Комплексные исследования Керченского пролива / В. В. Сапожников [и др.] // Океанология. 2011. Т. 51, № 5. С. 951 –953.
14. Жугайло С. С. Мониторинг качества вод Керченского пролива и предпроливной зоны Черного моря в современных условиях // Системы контроля окружающей среды. 2015. Вып. 1 (21). С. 63–66.
15. Динамика основных гидрохимических характеристик качества вод Керченского пролива в современных условиях / С. С. Жугайло [и др.] // Труды Южного научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии. 2011. Т. 49. С. 137–146.
16. Gurov K. I., Kurinnaya Yu. S., Kotelyanets E. A. Features of Accumulation and Spatial Distribution of Microelements in Bottom Sediments of the Crimea Coastal Regions // Ed. T. Chaplina. Cham, Switzerland : Springer Geology, 2021. P. 119–130. (Processes in GeoMedia Series, vol. III). https://doi.org/10.1007/978-3-030-69040-3_12
17. Немировская И. А., Завьялов П. О., Храмцова А. В. Углеводороды в водах и донных осадках Керченского пролива // Водные ресурсы. 2021. Т. 48, № 2. С. 183–193. doi:10.31857/S0321059621020085
18. Содержание и состав углеводородов в воде и осадках в районе Керченского пролива / И. А. Немировская [и др.] // Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. 2020. Т. 492, № 1. С. 118–123. doi:10.31857/S2686739720050175
19. Тихонова Е. А. , Бурдиян Н. В., Соловьёва О. В. Химико-микробиологическая характеристика вод и донных отложений Керченского пролива и прилегающих акваторий // Морской биологический журнал. 2017. Т. 2, № 3. С. 75–85. doi:10.21072/mbj.2017.02.3.07
20. Клёнкин А. А., Агапов С. А. Динамика распределения нефтепродуктов в воде и донных отложениях Азовского и Черного морей после аварии судов в Керченском проливе // Водные ресурсы. 2011. Т. 38, № 2. С. 214–222.
21. Матишов Г. Г. , Инжебейкин Ю. И. , Савицкий Р. М. Воздействие на среду и биоту аварийного разлива нефтепродуктов в Керченском проливе в ноябре 2007 г. // Водные ресурсы. 2013. Т. 40, № 3. С. 259–273.
22. Еремеев В. Н. , Коновалов С. К. , Романов А. С. Особенности распределения кислорода и сероводорода в водах Черного моря в зимне-весенний период // Морской гидрофизический журнал. 1997. № 4. С. 32–46.
23. Weiss R. F. The solubility of nitrogen, oxygen and argon in water and seawater // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 721 –735. doi:10.1016/0011 - 7471(70)90037-9
24. Люцарев С. В. Определение органического углерода в морских донных отложениях методом сухого сожжения // Океанология. 1986. Т. XXVI, вып. 4. С. 704–708.
25. Brendel P. J., Luther III 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 Freshwaters Sediments // Environmental Science & Technology. 1995. Vol. 29, iss. 3. P. 751 –761. doi:10.1021/es00003a024
26. Luther III G. W. Brendel P. J., Lewis B. L. Simultaneous measurement of O2, Mn, Fe, Iˉ, and S(―II) in marine pore waters with a Solid-State voltammetric microelectrode // Limnology and Oceanography. 1998. Vol. 43, iss. 2. P. 325–333. doi:10.4319/lo.1998.43.2.0325
27. Органический углерод и карбонатность современных донных отложений Керченского пролива / Е. И. Овсяный [и др.] // Геохимия. 2015. № 12. С. 1120–1131. doi:10.7868/S0016752515120079
28. Хрусталев Ю. П. , Денисов В. И. Некоторые особенности распределения и интенсивность осаждения взвешенного материала в Керченском предпроливье Черного моря // Океанология. 2001. Т. 41, № 6. С. 945–954.
29. Окислительно-восстановительные условия и характеристики донных отложений бухт Севастопольского региона / Ю. С. Куринная [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2022. № 1. С. 42–54. doi:10.22449/2413-5577-2022-1-42-54
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2022; 38: 637-654
Formation of the Ecological Risk Zones in the Coastal Water Areas of the Kerch Strait
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2022-6-637-654Abstract
Purpose. The paper is aimed at studying the features of hydrological and hydrochemical structure of the bottom water layer and the distribution of geochemical parameters in the bottom sediments, and also at evaluating the basic factors in formation of the redox conditions in the bottom sediments of the Kerch Strait.
Methods and Results. The Kerch Strait ecosystem was comprehensively investigated in July and September, 2020. Hydrochemical studies of the water column were carried out using the standard hydrochemical methods. The profiles of the vertical distribution of oxygen, hydrogen sulfide, oxidized and reduced forms of iron in the pore waters were obtained, and also the geochemical characteristics of bottom sediments were defined. The features of their spatial and vertical distribution were considered.The sediment columns were sampled by a hand sampler and an acrylic soil tube (its internal diameter is 60 mm) with a vacuum seal. The pore water chemical profile was obtained by the polarographic method of analysis that included a glass Au-Hg-microelectrode. Hydrochemical structure of the surface horizon waters in July was noted to be conditioned by the Black Sea water contribution, and that of the bottom horizon waters – by the Azov Sea waters. It has been established that in a summer period in the Taman Gulf surface layer, an increased content of biogenic substances took place; and the increased water temperature and salinity, as well as active oxygen consumption in the bottom water layer decreased the degree of its saturation in the central part of the gulf. As a result, this favored the Taman Gulf silting, intensive oxygen consumption for oxidizing organic matter and the development of anaerobic conditions, and the hydrogen sulfide arising already in the surface layer of bottom sediments. In September, the main contribution was made by the Black Sea waters, that promoted the bottom water saturation with oxygen and the nutrient concentration decrease by 2–3 times. At that in September, oxygen penetrated into the sediment up to 2 mm, and the hydrogen sulfide content was 3 times lower than that in July.
Conclusions. It has been revealed that the hampered water exchange in the Taman Gulf region and the accumulation of organic matter in the bottom sediments due to the inflow of a significant amount of suspended matter, resulted in a limitation of the oxygen flow to the water bottom layer, whereas the fine-dispersion character of the sediments hampered penetration of oxygen into the bottom sediments.
As a result, this contributed to the Taman Gulf silting, intensive oxygen consumption for oxidizing the organic matter and the development of anaerobic conditions, and to arising of hydrogen sulfide already in the surface layer of bottom sediments. The recorded at present anoxic conditions in the sediments upper layer can result in development of the oxygen deficiency in the bottom water layer and in formation of the ecological risk zones in the ecosystem of the Kerch Strait.
References
1. Bryantsev V. A. Vozmozhnye ekologicheskie posledstviya sooruzheniya Tuzlinskoi damby (Kerchenskii proliv) // Morskoi ekologicheskii zhurnal. 2005. T. 4, № 1. S. 47–50.
2. Eremeev V. N. , Ivanov V. A. , Il'in Yu. P. Okeanograficheskie usloviya i ekologicheskie problemy Kerchenskogo proliva // Morskoi ekologicheskii zhurnal. 2003. T. 2, № 3. S. 27–40.
3. Lomakin P. D. , Borovskaya R. V. Kharakteristika sovremennogo sostoyaniya sistemy techenii v Kerchenskom prolive na baze sputnikovykh i kontaktnykh nablyudenii // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2006. № 6. S. 65–72.
4. Fomin V. V. , Ivanov V. A. Sovmestnoe modelirovanie techenii i vetrovogo volneniya v Kerchenskom prolive // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2007. № 5. S. 3 –20.
5. Orekhova N. A., Konovalov S. K. Oxygen and Sulfides in Bottom Sediments of the Coastal Sevastopol Region of Crimea // Oceanology. 2018. Vol. 58. R. 679–688. doi:10.1134/S0001437018050107
6. Diaz R. J. Overview of Hypoxia around the World // Journal of Environmental Quality. 2001. Vol. 30, iss. 2. P. 275–281. doi:10.2134/jeq2001.302275x
7. Reactive transport in surface sediments. I. Model complexity and software quality / F. J. R. Meysman [et al.] // Computers & Geosciences. 2003. Vol. 29, iss. 3. P. 291 –300. doi:10.1016/S0098-3004(03)00006-2
8. Natural and human-induced hypoxia and consequences for coastal areas: synthesis and future development / J. Zhang [et al.] // Biogeosciences. 2010. Vol. 7. P. 1443–1467. doi:10.5194/bg-7-1443-2010
9. Losovskaya G. V. Ob indikatornykh i tolerantnykh vidakh polikhet (na primere severo-zapadnoi chasti Chernogo morya) // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. 2011. Vyp. 25, t. 1. S. 327–334.
10. Rasprostranenie vod iz Kerchenskogo proliva v Chernoe more / A. A. Aleskerova [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 6. S. 53–64. doi:10.22449/0233-7584-2017-6-53-64
11. Goryachkin Yu. N., Kondrat'ev S. I., Lisichenok A. D. Gidrologo-gidrokhimicheskie kharakteristiki i dinamika vod v Kerchenskom prolive v marte 2004 g. // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. 2005. № 12. S. 108–119.
12. Kotel'yanets E. A. , Konovalov S. K. Tyazhelye metally v donnykh otlozheniyakh Kerchenskogo proliva // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2012. № 4. S. 50–60.
13. Kompleksnye issledovaniya Kerchenskogo proliva / V. V. Sapozhnikov [i dr.] // Okeanologiya. 2011. T. 51, № 5. S. 951 –953.
14. Zhugailo S. S. Monitoring kachestva vod Kerchenskogo proliva i predprolivnoi zony Chernogo morya v sovremennykh usloviyakh // Sistemy kontrolya okruzhayushchei sredy. 2015. Vyp. 1 (21). S. 63–66.
15. Dinamika osnovnykh gidrokhimicheskikh kharakteristik kachestva vod Kerchenskogo proliva v sovremennykh usloviyakh / S. S. Zhugailo [i dr.] // Trudy Yuzhnogo nauchno-issledovatel'skogo instituta rybnogo khozyaistva i okeanografii. 2011. T. 49. S. 137–146.
16. Gurov K. I., Kurinnaya Yu. S., Kotelyanets E. A. Features of Accumulation and Spatial Distribution of Microelements in Bottom Sediments of the Crimea Coastal Regions // Ed. T. Chaplina. Cham, Switzerland : Springer Geology, 2021. P. 119–130. (Processes in GeoMedia Series, vol. III). https://doi.org/10.1007/978-3-030-69040-3_12
17. Nemirovskaya I. A., Zav'yalov P. O., Khramtsova A. V. Uglevodorody v vodakh i donnykh osadkakh Kerchenskogo proliva // Vodnye resursy. 2021. T. 48, № 2. S. 183–193. doi:10.31857/S0321059621020085
18. Soderzhanie i sostav uglevodorodov v vode i osadkakh v raione Kerchenskogo proliva / I. A. Nemirovskaya [i dr.] // Doklady Rossiiskoi akademii nauk. Nauki o Zemle. 2020. T. 492, № 1. S. 118–123. doi:10.31857/S2686739720050175
19. Tikhonova E. A. , Burdiyan N. V., Solov'eva O. V. Khimiko-mikrobiologicheskaya kharakteristika vod i donnykh otlozhenii Kerchenskogo proliva i prilegayushchikh akvatorii // Morskoi biologicheskii zhurnal. 2017. T. 2, № 3. S. 75–85. doi:10.21072/mbj.2017.02.3.07
20. Klenkin A. A., Agapov S. A. Dinamika raspredeleniya nefteproduktov v vode i donnykh otlozheniyakh Azovskogo i Chernogo morei posle avarii sudov v Kerchenskom prolive // Vodnye resursy. 2011. T. 38, № 2. S. 214–222.
21. Matishov G. G. , Inzhebeikin Yu. I. , Savitskii R. M. Vozdeistvie na sredu i biotu avariinogo razliva nefteproduktov v Kerchenskom prolive v noyabre 2007 g. // Vodnye resursy. 2013. T. 40, № 3. S. 259–273.
22. Eremeev V. N. , Konovalov S. K. , Romanov A. S. Osobennosti raspredeleniya kisloroda i serovodoroda v vodakh Chernogo morya v zimne-vesennii period // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 1997. № 4. S. 32–46.
23. Weiss R. F. The solubility of nitrogen, oxygen and argon in water and seawater // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1970. Vol. 17, iss. 4. P. 721 –735. doi:10.1016/0011 - 7471(70)90037-9
24. Lyutsarev S. V. Opredelenie organicheskogo ugleroda v morskikh donnykh otlozheniyakh metodom sukhogo sozhzheniya // Okeanologiya. 1986. T. XXVI, vyp. 4. S. 704–708.
25. Brendel P. J., Luther III 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 Freshwaters Sediments // Environmental Science & Technology. 1995. Vol. 29, iss. 3. P. 751 –761. doi:10.1021/es00003a024
26. Luther III G. W. Brendel P. J., Lewis B. L. Simultaneous measurement of O2, Mn, Fe, Iˉ, and S(―II) in marine pore waters with a Solid-State voltammetric microelectrode // Limnology and Oceanography. 1998. Vol. 43, iss. 2. P. 325–333. doi:10.4319/lo.1998.43.2.0325
27. Organicheskii uglerod i karbonatnost' sovremennykh donnykh otlozhenii Kerchenskogo proliva / E. I. Ovsyanyi [i dr.] // Geokhimiya. 2015. № 12. S. 1120–1131. doi:10.7868/S0016752515120079
28. Khrustalev Yu. P. , Denisov V. I. Nekotorye osobennosti raspredeleniya i intensivnost' osazhdeniya vzveshennogo materiala v Kerchenskom predproliv'e Chernogo morya // Okeanologiya. 2001. T. 41, № 6. S. 945–954.
29. Okislitel'no-vosstanovitel'nye usloviya i kharakteristiki donnykh otlozhenii bukht Sevastopol'skogo regiona / Yu. S. Kurinnaya [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2022. № 1. S. 42–54. doi:10.22449/2413-5577-2022-1-42-54
