1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Биология моря
  4. T. 45, № 3, 2019

Биология моря, 2019, T. 45, № 3, стр. 171-176

Сезонная динамика биоседиментации и первичной продукции в Севастопольской бухте: оценка взаимосвязи с использованием 234Th и 40K

С. Б. Гулин 1, И. Г. Сидоров 1, *, В. Н. Поповичев 1

1 Институт морских биологических исследований им. А.О. Ковалевского РАН
299011 Севастополь, Россия

* E-mail: sidorov.imbr@yandex.ru

Поступила в редакцию 06.06.2018
После доработки 03.10.2018
Принята к публикации 18.10.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучена сезонная динамика биогенного осадконакопления в Севастопольской бухте Черного моря с использованием тория-234 (234Th) в качестве природного радиотрассера. Процентное содержание биогенной взвеси в донных осадках определено с помощью радионуклида 40K по разработанной ранее методике. Обнаружено два основных максимума скорости накопления донных отложений: в апреле–июне и во второй половине лета. В первом случае это, по-видимому, обусловлено более интенсивным поступлением терригенной взвеси в весенний период, во втором – высокими значениями первичной продукции фитопланктона в конце лета. Полученные с помощью данного метода результаты более точно оценивают среднегодовую скорость биоседиментационных процессов, что необходимо для расчета потоков депонирования биогенных и загрязняющих веществ в донные отложения прибрежных акваторий.

Ключевые слова: биоседиментация, торий-234, Черное море, Севастопольская бухта

Известно, что основными механизмами деэвтрофикации и самоочищения морской среды от биогенных и загрязняющих веществ являются их седиментационное удаление из водной толщи в составе взвешенного вещества и депонирование в донных отложениях (Поликарпов и др., 1976). Для изучения этих процессов широкое распространение получили природные и техногенные радионуклиды, используемые в качестве трассеров для датировки морских осадков и оценки седиментационного потока взвеси. К числу таких трассеров относится, например, природный радиоактивный изотоп 210Pb, период полураспада которого (22.3 года) соответствует временнóму масштабу наиболее интенсивного антропогенного воздействия на морскую среду. Вместе с тем применение этого радионуклида затруднено в акваториях с изменчивой скоростью осадконакопления, к числу которых относится большинство прибрежных зон. Кроме этого, точность определения возраста донных отложений с помощью свинца-210 в значительной степени зависит от интенсивности биологического и физического перемешивания поверхностного слоя осадков, скорость которого зачастую имеет тот же временной масштаб, что и радиоактивный распад данного изотопа (Anderson et al., 1987). Поэтому для оценки интенсивности биотурбации поверхностного слоя донных отложений, а также для их более точной датировки и определения скорости осадконакопления в ряде работ был использован короткоживущий природный радиоизотоп торий-234 (234Th) с периодом полураспада всего 24.1 сут (Aller, DeMaster, 1984; Nittrouer et al., 1984; Gerino et al., 1998; Santschi et al., 2001), что позволяет изучать седиментационные процессы с периодом усреднения от нескольких суток до нескольких месяцев (Gulin, 2000, 2014; Rutgers van der Loeff et al., 2006).

В настоящее время 234Th является одним из самых распространенных трассеров для изучения биоседиментационных процессов в морских экосистемах (Waples et al., 2006). Он образуется непосредственно в водной среде при распаде долгоживущего материнского радионуклида 238U (период полураспада = 4.5 млрд лет), в отличие от которого торий активно сорбируется взвешенным веществом с коэффициентом накопления до 104 (Поликарпов, Егоров, 1986). Вследствие этого седиментационный вынос взвеси из водной толщи нарушает так называемое вековое равновесие между концентрацией 234Th и 238U (выраженной в единицах радиоактивности) и приводит к своеобразному дефициту тория-234 по сравнению с содержанием урана-238. В донных отложениях, наоборот, образуется избыток 234Th по отношению к 238U за счет оседания взвешенных форм тория из водной толщи. Дефицит или избыток тория-234 являются количественной мерой для оценки скорости седиментационного удаления взвешенных веществ из водной толщи или их накопления в донных отложениях.

Цель настоящей работы − изучение сезонной динамики биогенного осадконакопления в Севастопольской бухте с использованием 234Th в качестве природного радиотрассера. Это необходимо для получения более точных среднегодовых оценок седиментационного потока биогенного взвешенного вещества в донные отложения с учетом сезонной динамики развития планктонных сообществ.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Пробы отбирали в разные сезоны (см. табл. 1) на траверзе Константиновского равелина в Севастопольской бухте Черного моря в точке с координатами 44°37′53″ с.ш. – 33°31′32″ в.д. с помощью акриловой грунтовой трубки с внутренним диаметром 58 мм и вакуумным затвором. Одновременно отбирали три колонки донных отложений. Верхний 0−2-сантиметровый слой каждой колонки отделяли, используя поршневой экструдер, затем смешивали с аналогичными слоями двух других колонок и гомогенизировали. Полученные усредненные пробы высушивали до постоянной массы при температуре 40−50°С, измельчали в агатовой ступке и помещали в пластиковые чашки Петри с внутренним диаметром 53 мм. Содержание 234Th и 40K в пробах определяли с помощью высокопрецизионного полупроводникового гамма-спектрометра ORTEC GMX-10 (США), выполненного на основе кристалла сверхчистого германия. Активность 234Th устанавливали по его γ-излучению с энергией 63.2 и 92.6 кэВ, а 40K – по γ‑излучению с энергией 1460.8 кэВ. Для оценки содержания избыточного 234Th (по отношению к 238U) гамма-спектрометрическую активность каждой пробы измеряли не менее двух раз – непосредственно после отбора проб и примерно через 240 сут, т.е. после полного распада избыточного 234Th. Исходную активность радионуклидов в донных осадках рассчитывали на их сухую массу с учетом содержания в поровой воде морских солей, концентрацию которых определяли с помощью портативного гидрологического зонда SD-204 (SAIV A/S, Норвегия) по ранее описанной методике (Гулин, 2008; Gulin et al., 1997, 2001).

Таблица 1.  

Сезонная динамика скорости седиментационного накопления 234Th и взвешенного вещества в донных отложениях Севастопольской бухты

Месяцы (дата отбора) Поток 234Th, Бк/м2/сут Поток взвеси, г/м2/сут Доля биогенного вещества, %
3/4 (02.04) – – 55
4 (21.04) 7.8 21.99 42
6 (22.06) 11.8 33.36 55
6/7 (02.07) 1.5 4.25 –
7/8 (27.07) 8.5 24.07 79
9 (14.09) 1.0 2.89 35
10 (22.10) 0.6 1.57 37
12 (23.12) 2.7 7.66 37

Скорость седиментационного накопления 234Th в донных отложениях рассчитывали по формуле (1), как предложено ранее (Aller, DeMaster, 1984; Gerino et al., 1998; Santschi et al., 2001; Rutgers van der Loeff et al., 2006):

(1)
${{P}_{S}} = \quad\,\lambda \left( {^{{234}}Th\,\quad - {{\quad}^{{238}}}U\quad} \right),$
где PS – скорость седиментационного накопления 234Th в донных отложениях (Бк/м2/сут); λ – константа радиоактивного распада 234Th (0.0288/сут); 234Th и 238U – интегральное содержание соответствующих радионуклидов под единицей площади в донных осадках (Бк/м2).

Долю биогенного вещества в донных отложениях определяли по содержанию в них долгоживущего природного радионуклида 40K в соответствии с методикой, предложенной ранее (Гулин и др., 2013; Gulin et al., 2014). Она основана на том, что 40K поступает в море преимущественно с литогенной взвесью, в которой его среднее содержание (кларк) составляет 25 гК/кг, тогда как в биогенном веществе эта величина не превышает 3 гК/кг (Гавшин и др., 1988). После определения активности 40K его фактическое содержание в донных отложениях рассчитывали по удельной радиоактивности, равной 1 гК = 30.65 Бк 40K (Gulin et al., 2001, 2014). На основе этих данных можно рассчитать относительный вклад биогенного и литогенного вещества в морских донных отложениях:

где ClkЛK и ClkБK – значения кларков калия в литогенном и биогенном веществе соответственно; гK – фактическое содержание калия в исследуемой пробе, определенное по результатам радиометрических измерений активности калия-40.

Параллельно измеряли первичную продукцию фитопланктона (ПП) с использованием радиоуглеродного метода. Эти исследования проводили по стандартной схеме: отбор проб поверхностной морской воды в прозрачные (светлые) и светонепроницаемые (темные) склянки, добавление в них меченного по 14С бикарбоната натрия, экспозиция, фильтрация и определение радиоактивности воды и фильтров с осажденным сестоном. Результаты измерений рассчитывали по формуле Винберга и Калера (1960):

(3)
${{C}_{{\text{Ф }}}} = \frac{{{{С }_{K}}r}}{R},$
где СФ – первичная продукции за время экспозиции, мгС/л; СK – общее количество неорганического углерода в морской воде во всех формах углекислоты (СО2, ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ ${\text{CO}}_{3}^{{2 - }}$), мгС/л; r – радиоактивность 14С, накопленного фитопланктоном за время экспозиции; R – радиоактивность 14С, внесенная в опытные склянки, измеренная при тех же условиях, что и r, и выраженная в таких же единицах.

При оценках ПП использовали значение СK = = 36 мгС/л (Игнатьева, 2009), при этом исходная радиоактивность 14С в склянках (R) составляла 50 кБк/л, а относительная погрешность определения ПП – 18%. Радиометрические измерения 14С в аликвотах воды из инкубируемых склянок и во взвеси, осаждаемой на мембранных фильтрах “Sartorius” с размером пор 0.45 мкм, проводили на бета-спектрометре “RackBeta-1219 Spectral” (LKB Wallac, Финляндия) с использованием сцинтилляционной жидкости “OptiPhase-II” и с периодическим контролем работы прибора по 14С-стандарту.

Для того чтобы преобразовать полученные данные по скорости седиментации 234Th в скорость накопления взвешенного вещества на дне бухты, необходимо знать удельное содержание 234Th в оседающей взвеси. С этой целью на исследованной станции отбирали пробу придонной воды объемом более 100 л, которую сразу фильтровали через мембранный фильтр Millipоre диаметром 293 мм с номинальным размером пор 0.45 мкм. Для пробоотбора и фильтрации использовали перистальтический насос большой мощности MasterFlex I/P 7591-5 (США), который был установлен на борту судна, соединен с силиконовым шлангом, опущенным в придонный слой воды (глубина около 10 м), и с устройством для фильтрации через упомянутый выше мембранный фильтр. Это позволило одновременно отбирать и фильтровать придонную воду без контакта с воздухом, что необходимо для получения пробы взвешенного вещества в условиях, близких in situ.

После фильтрации мембранный фильтр сушили при температуре 40−50°С и помещали в гамма-спектрометр ORTEC GMX-10 для измерения содержания 234Th по описанной выше методике.

Параллельно с отбором и фильтрацией основной пробы придонной воды из нее брали около 2 л для определения содержания взвешенного вещества. Эту подпробу фильтровали через предварительно взвешенный ядерный мембранный фильтр Nuclepore диаметром 47 мм с размером пор 0.45 мкм. Осадок промывали дистиллированной водой; фильтр сушили при температуре 40−50°С, повторно взвешивали и по разнице начальной (т.е. до фильтрации) и конечной массы определяли содержание взвешенного вещества в придонном слое воды Севастопольской бухты.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Временной масштаб оценки потока взвешенного вещества с учетом периода полураспада 234Th (24.1 сут) для прибрежных районов обычно не превышает 2−3 нед., что обусловлено интенсивностью и вариабельностью седиментации. Это приводит к естественному усреднению динамики седиментационных процессов, полученной с использованием данного метода (Buesseler, 1991; Wei, Murray, 1991; Buesseler et al., 1992; Cochran et al., 1993; Polikarpov et al., 1994). Таким образом, несмотря на то, что пробы отбирали в определенный день, полученные результаты отражают седиментацию за более длительные промежутки времени. В связи с этим на рис. 1 и 2 величина седиментационного потока 234Th представлена в виде столбцов, а в табл. 1 наряду с датами отбора проб указаны месяцы.

Рис. 1.

Сезонная динамика седиментационного накопления 234Th в донных отложениях Севастопольской бухты (1) по сравнению с первичной продукцией фитопланктона (2).

Рис. 2.

Сезонная динамика седиментационного накопления 234Th (1) и относительного содержания биогенного вещества (2) в донных отложениях Севастопольской бухты.

Анализ сезонной динамики седиментационного потока 234Th в исследованном районе Севастопольской бухты показал, что накопление тория-234 в поверхностном слое донных отложений характеризовалось двумя основными максимумами: в конце апреля–июне и во второй половине лета (июль–август). В эти же периоды отмечено увеличение первичной продукции с основным максимумом во второй половине лета, хотя скорость осадконакопления была выше в первый из этих двух периодов (рис. 1, табл. 1).

Несколько другую картину наблюдали по результатам исследования сезонной динамики биогенного осадконакопления, которое было выполнено с использованием 40К в качестве трассера по описанной выше методике. Во второй половине лета доля биогенного вещества в донных отложениях была максимальной и достигала примерно 80%, тогда как в предшествующий период поздней весны–раннего лета она была значительно меньше (рис. 2, табл. 1).

Результаты гамма-спектрометрических измерений показали, что удельная радиоактивность 234Th во взвешенном веществе из придонного слоя воды составляла 353 Бк/кг в пересчете на сухую массу взвеси. Эту величину использовали для расчета скорости осадконакопления в исследованном районе Севастопольской бухты (табл. 1). Рассчитанная по полученным данным величина среднемесячного потока взвешенного вещества в донные отложения составила 13.7 г/м2/сут, что соответствует осаждению около 5 кг взвеси на 1 м2 в год.

ОБСУЖДЕНИЕ

При интерпретации полученных результатов необходимо учитывать, что седиментационное удаление 234Th из водной толщи происходит как на литогенном, так и на биогенном веществе, следовательно, величина потока данного радионуклида отражает общее поступление взвешенного вещества в донные отложения. В связи с этим полученную нами сезонную динамику скорости седиментации 234Th и первичной продукции фитопланктона (рис. 1) можно объяснить тем, что в конце весны – в начале лета значительную долю взвешенного вещества, оседающего на дно бухты, составляет литогенная взвесь, поступающая в составе берегового стока, поскольку данный период, как правило, характеризуется большим количеством атмосферных осадков. В конце июля – начале августа, наоборот, в осадочном материале преобладает биогенная взвесь, образующаяся в результате жизнедеятельности фитопланктона. Это предположение подтверждено нашими данными по сезонной динамике биогенного вещества в донных отложениях исследованного района Севастопольской бухты (рис. 2). Максимальная доля биогенной фракции верхнего слоя донных отложений приходилась на вторую половину лета, а в конце весны – начале лета доля биогенного вещества была почти в 2 раза меньше (рис. 2, табл. 1).

Необходимо отметить, что в конце летнего периода, когда по нашим оценкам происходит увеличение скорости осадконакопления, совпадающее с повышением доли биогенного вещества в донных осадках (рис. 2), по литературным сведениям (Лопухина и др., 1999) наблюдается и наибольший рост численности фитопланктона. Это позволяет сделать вывод о том, что сезонная вариабельность осадконакопления в Севастопольской бухте определяется чередованием биотических и абиотических факторов, к числу которых прежде всего относятся динамика фитопланктонных сообществ (особенно в летнее время) и поступление терригенной взвеси в период более интенсивных атмосферных осадков.

Как отмечено выше, на основе данных по седиментационному потоку 234Th нами была рассчитана скорость осадконакопления, которая в среднем составила 5 кг/м2/год. Для сравнения, среднегодовая скорость осадконакопления в этом районе Севастопольской бухты, определенная нами по глубине залегания максимума активности чернобыльского 137Cs в донных отложениях, составила около 3 кг/м2/год (Гулин и др., 2013). При этом необходимо учитывать, что данная величина усреднена за 23-летний период, прошедший с момента аварии на Чернобыльской АЭС до отбора проанализированных проб (Гулин и др., 2013). За это время существенная часть исходной массы вещества, накопленного в донных отложениях, могла быть потеряна в результате диагенетической трансформации осадков, прежде всего за счет биологической минерализации органического углерода. Очевидно, что этот эффект в меньшей степени влияет на оценку скорости осадконакопления, полученную с помощью 234Th, поскольку период усреднения в данном случае составляет менее одного года.

Таким образом, можно заключить, что использование тория-234 в качестве природного радиотрассера для изучения биоседиментационных процессов в морских экосистемах позволяет определить скорость осадконакопления и проследить ее сезонную динамику, что необходимо для получения надежных балансовых оценок депонирования биогенных и загрязняющих веществ в донных отложениях прибрежных акваторий.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа подготовлена по теме государственного задания ФГБУН ИМБИ “Молисмологические и биогеохимические основы гомеостаза морских экосистем”, номер гос. регистрации АААА-А18-118020890090-2.

Список литературы

  1. Винберг Г.Г., Калер В.Л. Сравнительное исследование первичной продукции планктона радиоуглеродным и кислородным методами // Докл. АН СССР. 1960. Т. 130. № 2. С. 446–449.

  2. Гавшин В.М., Лапухов С.В., Сараев С.В. Геохимия литогенеза в условиях сероводородного заражения (Черное море). Новосибирск: Наука. 1988. 194 с.

  3. Гулин С.Б. Радиоизотопная геохронологическая реконструкция загрязнения и эвтрофикации Черного моря // Радиоэкологический отклик Черного моря на чернобыльскую аварию. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика. 2008. С. 519–547.

  4. Гулин С.Б., Сидоров И.Г., Гулина Л.В. Биогенная седиментация в Черном море: радиотрассерное исследование // Мор. экол. журн. 2013. Т. 12. № 2. С. 19–25.

  5. Игнатьева О.Г. Состояние компонентов карбонатной системы вод Севастопольской бухты по данным экспедиционных исследований 2006–2007 гг. // Мор. экол. журн. 2009. Т. 2. С. 37–48.

  6. Лопухина О.А., Брянцева Ю.В., Кемп Р.Б. Сезонная динамика фитопланктона Севастопольской бухты // Акватория и берега Севастополя: экосистемные процессы и услуги обществу. Севастополь: Аквавита. 1999. С. 131–141.

  7. Поликарпов Г.Г., Егоров В.Н. Морская динамическая радиохемоэкология. М.: Энергоатомиздат. 1986. 176 с.

  8. Поликарпов Г.Г., Зесенко А.Я., Егоров В.Н., Назаров А.Б. Применение радиоизотопных методов в исследовании продукционных процессов и динамики органического вещества в океане // Мор. гидрофиз. исследования. 1976. Т. 74. № 3. С. 116–124.

  9. Aller R.C., DeMaster D.J. Estimates of particle flux and reworking at the deep-sea floor using 234Th/238U disequilibrium // Earth Planet. Sci. Lett. 1984. V. 67. P. 308–318.

  10. Anderson R.F., Schiff S.L., Hesslein R.H. Determining sediment accumulation and mixing rates using 210Pb, 137Cs, and other tracers: problems due to postdepositional mobility and coring artefacts // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1987. № 44. P. 231–250.

  11. Buesseler K.O. Do upper-ocean sediment traps provide an accurate record of particle flux? // Nature. 1991. № 353. P. 420–423.

  12. Buesseler K.O., Bacon M.P., Cochran J.K., Livingston H.D. Carbon and nitrogen export during the JGOFS North Atlantic Bloom Experiment estimated from 234Th: 238U disequilibria // Deep-Sea Res. 1992. V. 39. № 7–8. P. 1115–1137.

  13. Cochran K.J., Buesseler K.O., Bacon M.P., Livingston H.D. Thorium isotopes as indicators of particle dynamics in the upper ocean: results from the JGOFS North Atlantic Bloom Experiment // Deep-Sea Res. 1993. V. 40. № 8. P. 1569–1595.

  14. Gerino M., Aller R.C., Lee C. et al. Comparison of different tracers and methods used to quantify bioturbation during a spring bloom: 234-thorium, luminophores and chlorophyll a // Estuarine, Coastal Shelf Sci. 1998. V. 46. № 4. P. 531–547.

  15. Gulin S.B. Seasonal changes of 234Th scavenging in surface water across the western Black Sea: an implication of the cyclonic circulation patterns // J. Environ. Radioact. 2000. V. 51. № 3. P. 335–347.

  16. Gulin S.B. 234Th-based measurements of particle flux in surface water of the Bransfield Strait, western Antarctica // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2014. V. 299. № 1. P. 819–825.

  17. Gulin S.B., Aarkrog A., Polikarpov G.G. et al. Chronological study of 137Cs input to the Black Sea deep and shelf sediments // Radioprotection. 1997. V. 32. № C2. P. 257–262.

  18. Gulin S.B., Gulina L.V., Sidorov I.G. et al. 40K in the Black Sea: a proxy to estimate biogenic sedimentation // J. Environ. Radioact. 2014. V. 134. P. 21–26.

  19. Gulin S.B., Polikarpov G.G., Egorov V.N. et al. Radioactive contamination of the north-western Black Sea sediments // Estuarine, Coastal Shelf Sci. 2001. V. 54. № 3. P. 541–549.

  20. Nittrouer C.A., DeMaster D.J., McKee B.A. et al. The effect of sediment mixing on Pb-210 accumulation rates for the Washington continental shelf // Mar. Geol. 1984. V. 54. P. 201–221.

  21. Polikarpov G.G., Gulin S.B., Krivenko O.V. et al. Study of suspended matter and nutrients sedimentation with thorium–234 as radiotracer in the western Black Sea (during various seasons in 1992) // Докл. НАН Украины. 1994. № 2. С. 145–149.

  22. Rutgers van der Loeff M., Sarin M., Baskaran M. et al. A review of present techniques and methodological advances in analyzing 234Th in aquatic systems // Mar. Chem. 2006. V. 100. P. 190–212.

  23. Santschi P.H., Guo L., Asbill S. et al. Accumulation rates and sources of sediments and organic carbon on the Palos Verdes shelf based on radioisotopic tracers (137Cs, 239,240Pu, 210Pb, 234Th, 238U and 14C) // Mar. Chem. 2001. V. 73. P. 125–152.

  24. Waples J.T., Benitez-Nelson C., Savoye N. et al. An introduction to the application and future use of 234Th in aquatic systems // Mar. Chem. 2006. V. 100. P. 166–189.

  25. Wei C.-L., Murray J.W. 234Th/238U disequilibria in the Black Sea // Deep-Sea Res. 1991. V. 38. Suppl. № 2. P. 855–873.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Биология моря

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал