Морской гидрофизический журнал. 2023; 39: 205-219
Неорганические формы азота в глубоководной части Черного моря по экспедиционным данным 2016–2019 годов
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-2-205-219Аннотация
Цель. Целью данной работы является количественное описание структуры вертикального распределения неорганических форм азота, а именно нитритов, нитратов и ионов аммония, в современный постэвтрофикационный период эволюции глубоководной экосистемы Черного моря по натурным данным 2016–2019 гг.
Методы и результаты. Использованы данные экспедиционных исследований Морского гидрофизического института в Черном море в пределах экономической зоны России в 2016–2019 гг. В этих экспедициях были выполнены более 200 глубоководных станций, на которых с помощью кассеты из 12 батометров прибора Seabird-Electronics проводили отбор гидрохимических проб на определенных изопикнических поверхностях. Как правило, это был ряд величин условной плотности σt, равных 16,30, 16,25, 16,20, 16,15, 16,10, 16,05, 16,00, 15,95, 15,90, 15,80, 15,50, 14,0 кг/м3. Такая схема позволяет регистрировать положения субкислородной зоны и верхней границы сероводорода, а также подробно изучать изменения форм азота при переходе от окислительных условий в восстановительные.
Выводы. Качественные характеристики вертикального распределения неорганических форм азота в современный постэвтрофикационный период эволюции глубоководной экосистемы Черного моря соответствуют известным особенностям, количественные характеризуются следующими значениями: от поверхности до начала оксиклина вблизи изопикнической поверхности σt = 14,5 кг/м3 содержание нитритов и нитратов в среднем находилось на уровне 0,06 мкМ и 2–3 мкМ соответственно, концентрация аммония не превышала 0,6 мкМ. Для вертикальных профилей нитритов отмечено два максимума на изопикнических поверхностях σt = 14,0 кг/м3 и σt = 15,9 кг/м3, величина второго максимума не превышала 0,07 мкМ. Для нитратов характерен максимум в интервале величин условной плотности σt = 15,2–15,5 кг/м3, его величина достигала 4–5 мкМ. Появление значимых концентраций ионов аммония зафиксировано на глубине изопикнической поверхности σt = 16,0 кг/м3, затем их содержание монотонно возрастало, достигая 96 ± 5 мкМ на глубине 2000 м. Мольное отношение NH4+/H2S вблизи верхней границы сероводородной зоны составляло 0,58, что указывает на значительный эквивалентный избыток аммония по сравнению с теоретическим стехиометрическим значением 0,30. На больших глубинах при высоких концентрациях H2S (≥ 380 мкМ) оно уменьшилось до 0,25 и приблизилось к теоретическому значению.
Список литературы
1. Human activities and nitrogen in waters / W. Q. Suo [et al.] // Acta Ecologica Sinica. 2012. Vol. 32, iss. 4. P. 174–179. https://doi.org/10.1016/j.chnaes.2012.04.010
2. Review of Nitrogen Compounds Prediction in Water Bodies Using Artificial Neural Networks and Other Models / P. Kumar [et al.] // Sustainability. 2020. Vol. 12, iss. 11. 4359. https://doi.org/10.3390/su12114359
3. Gray J. S., Wu R. S-s., Or Y. Y. Effects of hypoxia and organic enrichment on the coastal marine environment // Marine Ecology Progress Series. 2002. Vol. 238. P. 249–279. doi:10.3354/meps238249
4. Dynamics and distribution of natural and human-caused hypoxia / N. N. Rabalais [et al.] // Biogeosciences. 2010. Vol. 7. P. 585–619. doi:10.5194/bg-7-585-2010
5. Glibert P. M. Eutrophication, harmful algae and biodiversity — Challenging paradigms in a world of complex nutrient changes // Marine Pollution Bulletin. 2017. Vol. 124, iss. 2. P. 591–606. doi:10.1016/j.marpolbul.2017.04.027
6. Long-term ecological changes in the Romanian coastal Waters of the Black Sea / A. Cociasu [et al.] // Marine Pollution Bulletin. 1996. Vol. 32, iss. 1. P. 32–38. https://doi.org/10.1016/0025-326X(95)00106-W
7. Benthic Nutrient Cycling and Diagenetic Pathways in the North-western Black Sea / J. Friedrich [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2002. Vol. 54, iss. 3. P. 369–383. https://doi.org/10.1006/ecss.2000.0653
8. Сапожников В. В. Основные причины изменений экосистем Черного, Каспийского и Азовского морей и их современное состояние // Вопросы промысловой океанологии / Под ред. А. П. Алексеева, В. Н. Кочикова, В. В. Масленникова. М. : Изд-во ВНИРО. 2006. Вып. 3. С.113–120. URL: https://inlnk.ru/za2mnw (дата обращения: 20.02.2023).
9. Strokal M., Kroeze C. Nitrogen and phosphorus inputs to the Black Sea in 1970–2050 // Regional Environmental Change. 2013. Vol. 13. P. 179–192. DOI 10.1007/s10113-012-0328-z
10. Юнев О. А. Вторичная эвтрофикация черноморского шельфа // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 2. С. 80–91. doi:10.22449/2413-5577-2020-2-80-91
11. Nitrous oxide cycling in the Black Sea inferred from stable isotope and isotopomer distributions / M. B. Westley [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. P. 1802–1816. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.03.012
12. Concurrent activity of anammox and denitrifying bacteria in the Black Sea / J. B. Kirkpatrck [et al.] // Frontiers in Microbiology. 2012. Vol. 3. 256. https://doi.org/10.3389/fmicb.2012.00256
13. Solórzano L. Determination of ammonia in natural waters by phenolhypochlorite method // Limnology and Oceanography. 1969. Vol. 14, iss. 5. P. 799801. https://doi.org/10.4319/lo.1969.14.5.0799
14. Иванов В. А., Белокопытов В. Н. Океанография Черного моря. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 212 с.
15. Konovalov S. K., Murray J. W. Variations in the chemistry of the Black sea on a time scale of decades (1960–1995) // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 217–243. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00054-9
16. Murray J. W. Black Sea Oceanography // Oceanography. 2005. Vol. 18, iss. 2. P. 14–15. https://doi.org/10.5670/oceanog.2005.37
17. Staneva J., Kourafalou V., Tsiaras K. Seasonal and Interannual Variability of the North-Western Black Sea Ecosystem // Terrestrial Atmospheric and Oceanic Sciences. 2010. Vol. 21. P. 163–180. doi:10.3319/TAO.2009.06.08.03
18. Biogeochemical Peculiarities of the Vertical Distributions of Nutrients in the Black Sea / M. V. Chelysheva [et al.] // Chemical Structure of Pelagic Redox Interfaces / E. V. Yakushev. Berlin, Heidelberg : Springer, 2011. P. 13–26. https://doi.org/10.1007/698_2011_119
19. Mikaelyan A. S., Zatsepin A. G., Chasovnikov V. K. Long-term changes in nutrient supply of phytoplankton growth in the Black Sea // Journal of Marine Systems. 2013. Vol. 117–118. P. 53–64. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.02.012
20. Spatial and temporal variability in the chemical properties of the oxic and suboxic layers of the Black Sea / S. Tuğrul [et al.] // Journal of Marine Systems. 2014. Vol. 135. P. 29–43. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.09.008
21. Dark N2 fixation: nifH expression in the redoxcline of the Black Sea / J. B. Kirkpatrick [et al.] // Aquatic Microbial Ecology. 2018. Vol. 82. P. 43–58. https://doi.org/10.3354/ame01882
22. Коновалов С. К., Еремеев В. Н. Региональные особенности, устойчивость и эволюция биогеохимической структуры вод Черного моря // Устойчивость и эволюция океанологических характеристик экосистемы Черного моря. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2012. С. 273–299.
23. Масевич А. В., Коновалов С. К. Динамика содержания кислорода в период дистрофикационных процессов в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2022. Т. 38, № 1. С 89–104. doi:10.22449/0233-7584-2022-1-89-104
24. Fuchsman C. A., Murray J. W., Konovalov S. K. Concentration and natural stable isotope profiles of nitrogen species in the Black Sea // Marine Chemistry. 2008. Vol. 111, iss. 1–2. P. 90–105. doi:10.1016/j.marchem.2008.04.009
25. Nitrogen processes in coastal and marine ecosystems / M. Voss [et al.] // The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives / Eds. M. A. Sutton, C. M Howard, J. W. Frisman, G. Billen, A. Bleeker, P. Grennfelt, H. van Grinsven, B. Grizzetti. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. P. 147–176. doi:10.1017/CBO9780511976988.011
26. Modeling the distribution of nitrogen species and isotopes in the water column of the Black Sea / S. K. Konovalov [et al.] // Marine Chemistry. 2008. Vol. 111, iss. 1–2. P. 106–124. doi:10.1016/j.marchem.2008.01.006
27. Millero F. J. Chemical Oceanography. 3rd Edition. Boca Raton : CRC Press, 2005. 536 p. https://doi.org/10.1201/9780429258718
28. Environmental control on phytoplankton community structure in the NE Black Sea / V. A. Silkin [et al.] // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2014. Vol. 461. P. 267–274. https://doi.org/10.1016/j.jembe.2014.08.009
29. Processes controlling the redox budget for the oxic/anoxic water column of the Black Sea / S. K. Konovalov [et al.] // Deep-Sea Research II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. P. 1817–1841. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.03.013
30. Konovalov S. K., Ivanov L. I., Samodurov A. S. Fluxes and budget of sulphide and ammonia in the Black Sea anoxic layer // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 203–216. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00053-7
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2023; 39: 205-219
Inorganic Forms of Nitrogen in the Deep Part of the Black Sea Based on the Expeditionary Data, 2016–2019
https://doi.org/10.29039/0233-7584-2023-2-205-219Abstract
Purpose. The purpose of the study is to describe quantitatively the structure of vertical distribution of the nitrogen inorganic forms, namely nitrites, nitrates and ammonium ions, at the present post-eutrophication period of the deep-sea ecosystem evolution in the Black Sea based on the field data obtained in 2016–2019.
Methods and Results. The data obtained in the Black Sea within the economic zone of Russia in 2016– 2019 by the scientists of Marine Hydrophysical Institute were used. At more than 200 deep-sea stations, a cassette of 12 bathometers (Seabird-Electronics CTD-instrument) was applied for taking hydrochemical samples at certain isopycnic surfaces, usually at σt = 16.30; 16.25; 16.20; 16.15; 16.10; 16.05; 16.00; 15.95; 15.90; 15.80; 15.50, 14.0 kg/m3. Such a scheme permits to determine the suboxic zone locations (including its upper boundary), the depth of hydrogen sulfide formation, and also to study in details the changes in the nitrogen forms during transition from the oxic conditions to the anoxic ones. Conclusions. At the present post-eutrophication period of the deep-sea ecosystem evolution in the Black Sea, qualitative characteristics of the vertical distribution of inorganic nitrogen forms correspond to the already known features. The quantitative ones are characterized by the following values: from the surface to the oxicline onset near the isopycnic surface σt = 14.5 kg/m3, the contents of nitrites and nitrates were at the level 0.06 μM and 2–3 μM, respectively, and the ammonium concentration did not exceed 0.6 μM. As for the nitrite vertical profiles, two maximums are noted at the isopycnic surfaces σt = = 14.0 kg/m3 and σt = 15.9 kg/m3; the value of the second peak does not exceed 0.07 μM. The nitrate vertical profiles are characterized by a maximum within the range of isopycnic surfaces σt = 15.2–15.5 kg/m3; its value reached 4–5 μM. The ammonium considerable concentrations were recorded at the isopicn σt = 16.0 kg/m3, after which the ammonium content monotonously increased with depth reaching the value 96 ± 5 μM at the 2000-meter depth. The molar ratio NH4 /H2S near the upper boundary of the hydrogen sulfide zone was 0.58 that indicated a significant equivalent excess of ammonium as compared to the theoretical stoichiometric value 0.30. At greater depths where the H2S concentrations are high (≥ 380 μM), it decreased to 0.25 and approached the theoretical value.
References
1. Human activities and nitrogen in waters / W. Q. Suo [et al.] // Acta Ecologica Sinica. 2012. Vol. 32, iss. 4. P. 174–179. https://doi.org/10.1016/j.chnaes.2012.04.010
2. Review of Nitrogen Compounds Prediction in Water Bodies Using Artificial Neural Networks and Other Models / P. Kumar [et al.] // Sustainability. 2020. Vol. 12, iss. 11. 4359. https://doi.org/10.3390/su12114359
3. Gray J. S., Wu R. S-s., Or Y. Y. Effects of hypoxia and organic enrichment on the coastal marine environment // Marine Ecology Progress Series. 2002. Vol. 238. P. 249–279. doi:10.3354/meps238249
4. Dynamics and distribution of natural and human-caused hypoxia / N. N. Rabalais [et al.] // Biogeosciences. 2010. Vol. 7. P. 585–619. doi:10.5194/bg-7-585-2010
5. Glibert P. M. Eutrophication, harmful algae and biodiversity — Challenging paradigms in a world of complex nutrient changes // Marine Pollution Bulletin. 2017. Vol. 124, iss. 2. P. 591–606. doi:10.1016/j.marpolbul.2017.04.027
6. Long-term ecological changes in the Romanian coastal Waters of the Black Sea / A. Cociasu [et al.] // Marine Pollution Bulletin. 1996. Vol. 32, iss. 1. P. 32–38. https://doi.org/10.1016/0025-326X(95)00106-W
7. Benthic Nutrient Cycling and Diagenetic Pathways in the North-western Black Sea / J. Friedrich [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2002. Vol. 54, iss. 3. P. 369–383. https://doi.org/10.1006/ecss.2000.0653
8. Sapozhnikov V. V. Osnovnye prichiny izmenenii ekosistem Chernogo, Kaspiiskogo i Azovskogo morei i ikh sovremennoe sostoyanie // Voprosy promyslovoi okeanologii / Pod red. A. P. Alekseeva, V. N. Kochikova, V. V. Maslennikova. M. : Izd-vo VNIRO. 2006. Vyp. 3. S.113–120. URL: https://inlnk.ru/za2mnw (data obrashcheniya: 20.02.2023).
9. Strokal M., Kroeze C. Nitrogen and phosphorus inputs to the Black Sea in 1970–2050 // Regional Environmental Change. 2013. Vol. 13. P. 179–192. DOI 10.1007/s10113-012-0328-z
10. Yunev O. A. Vtorichnaya evtrofikatsiya chernomorskogo shel'fa // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2020. № 2. S. 80–91. doi:10.22449/2413-5577-2020-2-80-91
11. Nitrous oxide cycling in the Black Sea inferred from stable isotope and isotopomer distributions / M. B. Westley [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. P. 1802–1816. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.03.012
12. Concurrent activity of anammox and denitrifying bacteria in the Black Sea / J. B. Kirkpatrck [et al.] // Frontiers in Microbiology. 2012. Vol. 3. 256. https://doi.org/10.3389/fmicb.2012.00256
13. Solórzano L. Determination of ammonia in natural waters by phenolhypochlorite method // Limnology and Oceanography. 1969. Vol. 14, iss. 5. P. 799801. https://doi.org/10.4319/lo.1969.14.5.0799
14. Ivanov V. A., Belokopytov V. N. Okeanografiya Chernogo morya. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2011. 212 s.
15. Konovalov S. K., Murray J. W. Variations in the chemistry of the Black sea on a time scale of decades (1960–1995) // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 217–243. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00054-9
16. Murray J. W. Black Sea Oceanography // Oceanography. 2005. Vol. 18, iss. 2. P. 14–15. https://doi.org/10.5670/oceanog.2005.37
17. Staneva J., Kourafalou V., Tsiaras K. Seasonal and Interannual Variability of the North-Western Black Sea Ecosystem // Terrestrial Atmospheric and Oceanic Sciences. 2010. Vol. 21. P. 163–180. doi:10.3319/TAO.2009.06.08.03
18. Biogeochemical Peculiarities of the Vertical Distributions of Nutrients in the Black Sea / M. V. Chelysheva [et al.] // Chemical Structure of Pelagic Redox Interfaces / E. V. Yakushev. Berlin, Heidelberg : Springer, 2011. P. 13–26. https://doi.org/10.1007/698_2011_119
19. Mikaelyan A. S., Zatsepin A. G., Chasovnikov V. K. Long-term changes in nutrient supply of phytoplankton growth in the Black Sea // Journal of Marine Systems. 2013. Vol. 117–118. P. 53–64. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.02.012
20. Spatial and temporal variability in the chemical properties of the oxic and suboxic layers of the Black Sea / S. Tuğrul [et al.] // Journal of Marine Systems. 2014. Vol. 135. P. 29–43. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmarsys.2013.09.008
21. Dark N2 fixation: nifH expression in the redoxcline of the Black Sea / J. B. Kirkpatrick [et al.] // Aquatic Microbial Ecology. 2018. Vol. 82. P. 43–58. https://doi.org/10.3354/ame01882
22. Konovalov S. K., Eremeev V. N. Regional'nye osobennosti, ustoichivost' i evolyutsiya biogeokhimicheskoi struktury vod Chernogo morya // Ustoichivost' i evolyutsiya okeanologicheskikh kharakteristik ekosistemy Chernogo morya. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2012. S. 273–299.
23. Masevich A. V., Konovalov S. K. Dinamika soderzhaniya kisloroda v period distrofikatsionnykh protsessov v Chernom more // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2022. T. 38, № 1. S 89–104. doi:10.22449/0233-7584-2022-1-89-104
24. Fuchsman C. A., Murray J. W., Konovalov S. K. Concentration and natural stable isotope profiles of nitrogen species in the Black Sea // Marine Chemistry. 2008. Vol. 111, iss. 1–2. P. 90–105. doi:10.1016/j.marchem.2008.04.009
25. Nitrogen processes in coastal and marine ecosystems / M. Voss [et al.] // The European Nitrogen Assessment: Sources, Effects and Policy Perspectives / Eds. M. A. Sutton, C. M Howard, J. W. Frisman, G. Billen, A. Bleeker, P. Grennfelt, H. van Grinsven, B. Grizzetti. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. P. 147–176. doi:10.1017/CBO9780511976988.011
26. Modeling the distribution of nitrogen species and isotopes in the water column of the Black Sea / S. K. Konovalov [et al.] // Marine Chemistry. 2008. Vol. 111, iss. 1–2. P. 106–124. doi:10.1016/j.marchem.2008.01.006
27. Millero F. J. Chemical Oceanography. 3rd Edition. Boca Raton : CRC Press, 2005. 536 p. https://doi.org/10.1201/9780429258718
28. Environmental control on phytoplankton community structure in the NE Black Sea / V. A. Silkin [et al.] // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2014. Vol. 461. P. 267–274. https://doi.org/10.1016/j.jembe.2014.08.009
29. Processes controlling the redox budget for the oxic/anoxic water column of the Black Sea / S. K. Konovalov [et al.] // Deep-Sea Research II: Topical Studies in Oceanography. 2006. Vol. 53, iss. 17–19. P. 1817–1841. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2006.03.013
30. Konovalov S. K., Ivanov L. I., Samodurov A. S. Fluxes and budget of sulphide and ammonia in the Black Sea anoxic layer // Journal of Marine Systems. 2001. Vol. 31, iss. 1–3. P. 203–216. https://doi.org/10.1016/S0924-7963(01)00053-7
