Окислительно-восстановительные условия донных отложений и характеристики макрозообентоса бухт Круглой и Казачьей (г. Севастополь)
Redox conditions of bottom sediments and macrozoobenthos characteristics in the Kruglaya and Kazachya bays (Sevastopol)
Redox conditions of bottom sediments and macrozoobenthos characteristics in the Kruglaya and Kazachya bays (Sevastopol)
Дата
2021
Авторы
Авторы (alternative)
Название журнала
Номер ISSN
Название тома
Издатель
Аннотация
Отсутствие системного и экологически рационального подхода при эксплуатации бухт Севастопольского региона (бухт Круглой и Казачьей) привело к значительному их загрязнению. Комбинация ряда естественных и антропогенных факторов обусловила ухудшение условий существования бентосных сообществ. Целью данной работы было провести комплексные исследования экосистем бухт Круглой и Казачьей для изучения особенностей формирования окислительно-восстановительных условий в донных отложениях и придонном слое вод, а также их влияния на характеристики макрозообентоса. Пробы донных отложений отбирал водолаз трубками из оргстекла, герметично закрываемыми сверху и снизу, что позволило сохранить тонкую структуру донных отложений и придонного слоя вод. Для изучения бентосных сообществ в этом же месте отбирали пробы с помощью ручного пробоотборника. Для получения химического состава поровых вод с высоким вертикальным разрешением использовали полярографический метод анализа. Расчёт потока кислорода на границе и в верхней части донных отложений выполняли по данным вертикального профиля концентрации кислорода в поровых водах и геохимического анализа, используя уравнение для первого закона Фика с учётом градиента концентраций и молекулярной диффузии кислорода в поровых водах. Для анализа бентосного материала применяли стандартные гидробиологические методы. При расчёте значений индекса разнообразия Шеннона (H’) использовали логарифм по основанию 2. Анализ полученных данных показал, что высокий уровень антропогенного воздействия и ограниченная динамика вод привели к заиливанию донных отложений исследуемых акваторий, что затрудняло поступление кислорода в них, а накопление в осадках органического углерода обусловили активное его расходование. Стратификация водной толщи за счёт ограниченного водообмена, высокая температура придонного слоя вод, сопровождающаяся снижением растворимости кислорода, и мелкодисперсный характер донных отложений способствовали тому, что скорость поступления кислорода была меньше скорости его потребления на окисление органического вещества; это сопровождалось развитием зон дефицита кислорода и появлением восстановленных соединений, в частности сероводорода. Отмечено, что в верхнем слое донных отложений преобладали субкислородные условия, ниже — анаэробные. Это привело к тому, что основными формами макрозообентоса являлись виды, толерантные к дефициту кислорода и к загрязнению органическими веществами. Так, на некоторых участках бухты Казачьей присутствовали только полихеты. При этом отмечено, что в районе выхода из бухты Круглой интенсивная динамика вод и морфологические особенности дна способствуют насыщению верхнего слоя отложений кислородом. На основании данных о концентрации кислорода в поверхностном (0–5 мм) слое осадка (в поровых водах), а также данных о геохимических характеристиках (влажность, пористость) донных отложений рассчитан поток кислорода на ст. 4 (бухта Солёная); его величина составила 0,73 М·м−2·год−1. Принимая в расчёт концентрацию кислорода в придонном слое вод (259 мкМ), можно сказать, что время развития аноксии с учётом только биогеохимических процессов составляет около 5 месяцев. Таким образом, можно предположить, что экосистемы бухт Круглой и Казачьей находятся в стадии деградации. Дальнейшая их эксплуатация без выработанного комплексного и рационального подхода приведёт к критическому ухудшению их экосистем — к появлению и распространению зон экологического риска, что снизит рекреационную и социально-экономическую привлекательность данных районов.
Аннотация (alternative)
A lack of systemic and environmentally efficient approach to exploitation of the Kruglaya and Kazachya bays (Sevastopol) resulted in their severe pollution. The conjunction of natural and anthropogenic factors led to deterioration of habitat conditions of benthic communities. The aim of this work was to carry out complex research of Kruglaya and Kazachya bays’ ecosystems to study peculiarities of formation of redox conditions in bottom sediments and bottom water layer, as well as their effect on macrozoobenthos characteristics. Bottom sediments were sampled by diver in plexiglass tubes hermetically sealed at the top and bottom; it helped in preserving a fine structure of bottom sediments and bottom water layer. To study benthic communities, samples were taken in the same spot with a manual sampler. To obtain chemical composition of pore waters with high vertical resolution, the voltammetry analysis was carried out. Calculation of an oxygen flux at the boundary and in the upper layer of bottom sediments was performed according to the vertical profile of oxygen concentration in pore waters and geochemical analysis with applying the equation for the Fick’s first law and considering concentration gradient and molecular diffusion of oxygen in pore waters. Standard hydrobiological methods were applied for the analysis of benthic material. When calculating the values of the Shannon diversity index (H’), the binary logarithm was used. The data analysis showed as follows: a high level of anthropogenic load and restricted water dynamics resulted in siltation of bottom sediments in the studied water areas, which obstructed oxygen penetration; the accumulation of organic carbon contributed to its active consumption. Stratification of a water column due to limited water exchange, high temperature of bottom water, accompanied by a decrease in oxygen solubility, and finely dispersed nature of bottom sediments contributed to the fact that the rate of oxygen input was lower than the rate of oxygen consumption for organic matter oxidation. This was followed by the development of oxygen deficiency zones and emergence of reduced compounds, in particular hydrogen sulfide. Importantly, suboxic conditions prevailed in the upper sediment layer, and anaerobic conditions prevailed below. Due to this, the main forms of macrozoobenthos were species tolerant to oxygen deficiency and organic pollution. Specifically, in some spots of the Kazachya Bay, polychaetes alone were recorded. At the same time, in the Kruglaya Bay mouth area, intense water dynamics and morphological peculiarities of bottom sediments contribute to saturation of the upper sediment layer with oxygen. Based on oxygen concentration data for the surface (0–5 mm) sediment layer (pore waters) and on geochemical peculiarities of bottom sediments (moisture and porosity), the oxygen flux at st. 4 (the Solenaya Bay) was calculated; the value was 0.73 M·m−2·year−1. Considering oxygen concentration in bottom water layer (259 μM), the time for complete depletion of oxygen or its renewal is about 5 months if taking into account biogeochemical processes alone. Hence, it can be assumed that the ecosystems of the Kruglaya and Kazachya bays are in the stage of degradation. Their further exploitation without a developed systemic and rational approach will result in a critical deterioration of the ecosystems – the emergence and spread of environmental risk zones. It will reduce the recreational and socioeconomic attractiveness of these areas.
Ключевые слова
донные отложения, поровые воды, кислород, сероводород, органический углерод, макрозообентос, прибрежные акватории, Чёрное море
Библиографическое описание
Орехова Н. А. Окислительно-восстановительные условия донных отложений и характеристики макрозообентоса бухт Круглой и Казачьей (г. Севастополь) // Морской биологический журнал. - 2021. - Т. 6, № 4. - С. 68-86. https://doi.org/0.21072/mbj.2021.06.4.06