img-417193806

5.3. Динамика растворенных газов в водных массах океана

91

Результатом восстановления сульфатов при окислении органи­ ческого вещества является наблюдаемое в анаэробных зонах

уменьшение с глубиной отношения SO2-/Cl %о, а также увеличение щелочности и содержания свободной СОг.

Скорость окисления органического вещества, сульфатредукции и окисления сероводорода в анаэробных зонах пока еще ис­ следована слабо в связи с большими экспериментальными труд­ ностями. Результаты существующих экспериментов и измерений

Рис. 5.6. Вертикальное распреде­ ление азота нитратов и аммония, кислорода и сероводорода во впа­ дине Кариако, по Т. Окуда и др.

(1974).

/ — зона нитрификации; // — зона де­ нитрификации; 111 — зона окисления H2S; I V — зона сульфатредукции.

не вполне надежны, могут различаться между собой на два по­ рядка, но представляют сравнительный интерес (табл. 5.13).

Концентрации сероводорода в придонных слоях анаэробных зон могут достигать высоких значений: например, в Черном море — 7,5 %о по объему. Обычно увеличение содержания H2S со­ провождается восстановлением нитратов до аммиака, примером чему может служить впадина Кариако (рис. 5.6).

В открытом океане, вентиляция глубин которого протекает до­ статочно интенсивно, присутствия сероводорода не отмечалось. Расположение устойчивых и периодически образующихся анаэроб­ ных сероводородсодержащих зон Мирового океана показано на рис. 5.7. В северном полушарии это Черное море, впадина Кариако (Карибское море), впадина Орка (Мексиканский залив), впадины Красного и Балтийского морей, норвежские фиорды, залив-фиорд Сааниш (Британская Колумбия), залив Кариако, калифорнийский шельф, районы Аравийского моря и Оманского залива, а также периодически возникающие анаэробные зоны ряда эстуариев и островных заливов. Мощность анаэробных зон в разных районах меняется от нескольких десятков метров до 1000 м.

061 091 091 I ОС

X

2

в

еС

О

Оч

Оt=c'

о

оа

о.

о

О,

X

К

ш

я

я

о

оS .

*

оСЗ

ос

S

сх

5.3. Динамика растворенных газов в водных массах океана

93

Таблица 5.13

Скорость сульфатредукции в придонном слое (сводка А. В. Леонова и Т. А. Айзатуллина, 1977)

	Бассейн	Сульфатредукция,	Авторы
		мг БДл-сут)
	Черное море	0,192	В. Г. Дацко, 1959
		0,0095—4,0	Ю. И. Сорокин, 1962
	Азовское море	0,1—68,62	Л. И. Толоконникова, 1977
	Каспийское море (Красновод-	6,9— 14,9	Р. Л. Иверсон и др., 1974
	ский залив)
	Впадина Кариако	0,0034	В. Томас, А. Додсон, 1974
		0,27	Пресли, 1974
	Атлантический залив:
	залив Мэн	3,44	Р. Бернер, 1972
	район Лонг-Айленд	0,661	Р. Бернер, 1972
	Тихий океан:
	район Санта-Барбара	0,055	Р. Бернер, 1972
	Калифорнийский залив	0,0078—0,0289	М. Б. Голдхабер, 1974
	Лабораторные исследования	18,6—28,9	В. Канкель, Ч. Оппенгеймер,
		26,1	1963
			Ч. Мартенс, Р. А. Бернер, 1974
		3,73	Н. Накаи, М. Дженсен, 1964

В южном полушарии периодически образуются мощные серо­ водородные зоны в районах апвеллингов — Перуанского и Южно­ африканского. В подобных зонах часто наблюдаются случаи мас­ совых заморов рыб и гибели фауны, нередко достигающие огром­ ных масштабов. В 1957 г. в Аравийском море количество погиб­ шей рыбы превысило 20 млн. т, т. е. треть всего мирового вылова за год.

Глава 6

БИОГЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА

Биогенными элементами можно считать все химические эле­ менты, которые входят в состав органических соединений и тре­ буются живым организмам для обеспечения процессов метабо­ лизма: Н, О, С, N, Р, Si, S, Mg, Са, К, Fe, Al, Мп и др. Большую часть из перечня этих элементов морская вода содержит в доста­ точных количествах, даже ничтожные концентрации тяжелых ме­ таллов вполне удовлетворяют потребности организмов. Однако

94 Глава 6. Биогенные вещества

неорганические соединения азота, фосфора и кремния в случае их исчерпания лимитируют фотосинтез, а дополнительное их по­ ступление стимулирует развитие фитопланктона. Поэтому неорга­ нические соединения азота, фосфора и кремния выделяются в группу главных биогенных веществ.

6.1. Стехиометрические соотношения

Исследованиями В. И. Вернадского и А. П. Виноградова уста­ новлено, что соотношения между содержаниями химических эле­ ментов в организмах конкретных видов являются геохимическими, константами (табл. 6.1).

Т а б л и ц а 6 . 1

Соотношения биогенных элементов в фито- и зоопланктоне по массе на сухое вещество, по А. П. Виноградову (1939)

Планктон	р	N	Si	с
Диатомовый	1	4	30,8	31
Перидиниевый	1	8	4	60
Сине-зеленый	1	9	1	40

Учитывая долю каждого вида фито- и зоопланктона в общей

массе планктона океана, X.				Свердруп и др. (1942) вывели соот­
ношения в	среднем	для	фитопланктона		С : S i: N : Р = 42 : 28 : 7 : 1
(массовые	единицы)	и	108,5:31:15,5:1		(молярная форма), для
зоопланктона (по		массе)		С : N : Р = 40 : 7,4 : 1 и для планктона

вцелом С : N : Р = 41 : 7,2 : 1 (или 106:16:1 в мкмоль).

Выявленные соотношения позволили Ф. А. Ричардсу (1965)

предложить стехиометрическую модель органического вещества океана из условия, что наиболее важные элементы представлены в форме углеводов (углерод), аммиака (азот) и фосфатов (фосфар):

(СН2О)10б (NH3),6Н3РО4.

(6.1)

Состав органического вещества по данной модели довольно близок к составу природных органических соединений.

В рамках стехиометрической модели разложение, гидролиз и окисление органического вещества происходят по схеме

(СН2О)106(NH3)i6Н3Р 0 4= Ю6СН20 + 16NH3+ Н3Р 0 4;
Ю6СН20 + Ю602=	Ю6С02+ Ю6Н20;
16NH3+ 3202 =	16HN03+ 16Н20
(СН2О)106(NH.)ie Н3Р 0 4+ 13802=	Ю6С02+ 122Н20 + 16HNO* +
+ Н3Р 04.		(6.2)

6.1. Стехиометрические соотношения	95
Простой расчет показывает,	что при окислении 1 мг Сорг

расходуется 3,47 мг (2,43 мл) кислорода, выделяется 0,79 мкмоль Р и 12,64 мкмоль N.

После исчерпания запаса кислорода окисление органического

вещества может идти за счет кислорода нитратов	(процесс де­
нитрификации) :
(СН2О)10С(Ш з )!6 Н3Р 0 4+ 94,4HN03= Ю6С02+
+ 55,2N2+ 177,2Н20 + Н3Р 0 4.	(6.3)
После исчерпания нитратов окисление органического вещества
осуществляется уже за счет кислорода сульфатов	(процесс суль­
фатредукции) :
(СН2О)106(NH3)16Н3Р 0 4+ 53S04- = 106С02 +
+,53S2“ + 16NH3+ 106Н20 + Н3Р 04.	(6.4)

Накопление аммиака и сульфидов, например, в сероводород­ ной зоне Черного моря хорошо соответствует этой схеме.

Показанные соотношения между углеродом, азотом, фосфо­ ром и кремнием сохраняются как при синтезе, так и при разло­ жении органического вещества в воде океана, но имеют смысл только для «свежего» органического вещества (живого или на самой начальной стадии распада ) и для валовых форм элемен­ тов (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Отношение концентрации (мкмоль/л) различных форм азота, фосфора и углерода в восточной части тропических зон Атлантического и Тихого океанов, по В. Н. Иваненкову (1979)

	Антлантическийокеан				Тихий океан
Слой, м	Nopr	Nнеорг	Квал	%г	Nнеорг	^вал	Сорг
	Рорг	рнеорг	^вал	Рорг	рнеорг	Рвэл	Nopr
0—100	24	12	16	30	9	16	17,3
100—200	30	13	16	30	13	16	20
500—1000	60	14	16	45	14	16	24,4
1000—2000	100	13,7	16	70	14	16	25,7
2000—4000	100	13,5	16	100	14	16	28

Окисление органического вещества в толще вод океана проте­ кает с более быстрой минерализацией органических соединений фосфора, поэтому отношение органического азота к органическому фосфору растет с глубиной, а отношение неорганических форм этих элементов остается ниже стехиометрического (табл. 6.2). Аналогично по мере нитрификации органического вещества на­ блюдается обеднение растворенной органики азотом.

96	Глава 6. Биогенные вещества

Стехиометрические соотношения могут быть использованы для расчета первичной продукции органического вещества, продукции кислорода, извлечения биогенных веществ из воды при фотосин­ тезе и для оценки биохимического потребления кислорода.

6.2. Связанный азот

Неорганические соединения азота в океане представлены ам­

монийными NH/, нитритными N0 7 и нитратными NOF ионами, имеющими единый генетический источник. С речным, подземным

стоком и атмосферными	осадками в океан поступает около ОДХ
X Ю9 т/год связанного азота, а фитопланктон ежегодно извлекает
при фотосинтезе около	7,7 • 109 т N (табл. 6.3). Следовательно,

основные потребности живых организмов обеспечиваются внут­ ренним круговоротом азота в океане.

Таблица 6.3

Годовой баланс растворенных	кремния, фосфора и связанного азота в океане,
по В.	И. Иваненкову (1979)

Составляющие баланса		Si, 109т	Р, 10=т		N,	О9т
	1	2	1	2		2
Поступление элементов:					0,0о1
растворенных, с речным	0,2		2,0
стоком	0,1				0,007
растворенных, с подзем­		—	0,2	—		— -
ным стоком.
при растворении взвесей	0,1	—	0,5	—	—	— -
терригенного и вулканиче­
ского происхождения					7,615
при растворении взвесей	30,6		1067,3
биогенного происхождения
и метаболитов морских ор­
ганизмов					0,045
с атмосферными осадками				1070
Извлечение фитопланктоном	—	31,0	—		—	7,729
из воды при фотосинтезе
Итого	31,0	31,0	1070	1070	7,729	7,729

П р и м е ч а н и е . 1 — поступление, 2 — расходование.

При интенсивном фотосинтезе неорганический азот может быть полностью ассимилирован, в связи с чем фотосинтез приостанав­ ливается. Обратный переход азота из сложных органических со­ единений в его минеральные формы (рис. 6.1) происходит в про­ цессе прямой и непрямой регенерации. Прямая регенерация имеет место непосредственно в зоне фотосинтеза, когда под действием бактерий и ферментов, выделяемых пищеварительным трактом животных, продукты их жизнедеятельности быстро минерализу­ ются и часть органического азота вновь переходит в минеральные

6.2. Связанный азот

97

формы. Непрямая регенерация азота обусловлена распадом орга­ нического детрита на глубинах океана.

Первым неорганическим продуктом сложного процесса биохи­ мической трансформации органического азота является аммоний­

ный азот NH*, который может непосредственно усваиваться рас­ тениями или подвергаться дальнейшему окислению в процессе нитрификации. Первая стадия этого процесса осуществляется че­ рез посредство бактерий-нитрификаторов (семейство Bacteriaceae,

род Nitrosomonas Win.) по схеме

NH4 + 202= NOJ-+ 2Н20.

(6.5)

мг к/м

Рис. 6.1. Выделение азотсодержащих веществ при разложении фитопланк­

тона в аэрируемой		морской воде
в темноте,	по Т.	Вон-Бранду и
Н. В.	Рэйкстроу (1941).

i —взвешенный азотсодержащий мате­ риал.

Нитритные ионы неустойчивы и под воздействием других бак­ терий (семейство Bacteriaceae, род Nitrobacter Win.) окисляются до нитратов:

2N02- + 0 2= 2NOI"-

(6.6)

Поскольку обе реакции относятся к экзотермическим, выде­ ляемая энергия используется бактериями. Процесс нитрификации протекает только в аэробных условиях.

На поверхности океана при интенсивном воздействии ультра­ фиолетовых лучей возможно окисление аммония фотохимическим путем. Не исключена возможность осуществления этих реакций и через каталитическое воздействие ферментов.

К процессам, уменьшающим содержание неорганического свя­ занного азота, кроме фотосинтеза, относятся переход органиче­ ского азота с детритом в иловые толщи океана и денитрификация, протекающая с участием особой группы бактерий (семейство Pseudomonadaceae) в анаэробных условиях.

Примерная схема круговорота азота в океане и связь между отдельными формами азота представлены на рис. 6.2.

7 Заказ № 244

98	Глава 6. Биогенные вещества

Режим соединений азота в фотической зоне океана подвер­ жен закономерной внутригодовой изменчивости, согласуясь с ди­ намикой фитопланктона (рис. 6.3). Весной развитие фитопланк­ тона уменьшает содержание нитратов, нитритов и аммония до очень низкого уровня. Осенью их концентрации возрастают за счет

Рис. 6.2. Схема круговорота связанного азота в океане и взаимодействие его с внешними источниками.

/•—2—3—1—малый круговорот прямой регенерации в океане; 1—2—3—4—5—6—1—большой круговорот непрямой регенерации.

минерализации органического вещества и процессов вертикаль­ ной конвекции.

В открытых районах океана действует термодинамическая тен­ денция к превращению всех форм связанного азота в нитраты, по­ этому в глубинных слоях океана промежуточные продукты окис­ ления аммония присутствуют в незначительных концентрациях.

Содержание нитратов в океане меняется от аналитического нуля на поверхности в вегетационный период до 400-—500 мкг N/л (30—40 мкмоль N/л) в глубинных слоях.

Содержание нитритов редко превышает 20—30 мкг N/л (1,5— 2,5 мкмоль N/л). Режим нитритов определяется продуктивностью района и интенсивностью нитрификации. Их концентрации в фо­ тической зоне повышаются осенью с затуханием фотосинтеза. Зи­ мой нитриты практически полностью окисляются. Особенностью вертикального распределения нитритов является существование подповерхностного максимума в слое скачка плотности на глуби­ нах 50—-150 м, наиболее ярко выраженного в начале осеннего периода. В высокопродуктивных районах подповерхностный макси­ мум может достигать 0,1—2,0 мкмоль N/л, в малопродуктивных

6.2. Связанный азот	99
районах не превышает 0,01—0,05 мкмоль N/л. В районах исклю­
чительно высокой продуктивности	(у западных берегов Африки,

Южной и Центральной Америки, в Аравийском море и Бенгаль­ ском заливе) на глубинах 300<—800 м, где содержание кислорода не превышает 0,2 мл/л и идет восстановление нитратов, возникает глубинный максимум нитритов с концентрациями до 3— 10 мкмоль

N/л (рис. 6.4).

Присутствие аммонийного азо­ та отмечается главным образом в верхней продуктивной зоне оке-. ана, где его концентрации не превышают 20—25 мкг N/л (1,4— 1,8 мкмоль N/л). Подобно ни­ тритам, аммонийному азоту свой­ ственно наличие максимума под зоной фотосинтеза (рис. 6.4), глубже содержание аммония убы-

Рис. 6.3. Сезонные изменения содержа­ ния неорганических соединений раство­ ренного азота в водах Ла-Манша с но­ ября 1930 г. по: январь 1932 г., по Л. Н. Куперу (1937).

вает до аналитического нуля. В высокопродуктивных районах на глубинах промежуточного максимума нитритов существует и мак­ симум аммонийного азота (рис. 6.4). Годовой ход содержания

NH^ (рис. 6.3) в фотической зоне аналогичен изменчивости нитритов.

Количество органического азота в океане значительно усту­ пает неорганическому, но это соотношение в сильнейшей мере зависит от условий потребления и регенерации. Поэтому содер­ жание органического азота подвержено изменчивости по верти­ кали и во времени. В зоне фотосинтеза в период цветения водо­ рослей органический азот преобладает над неорганическим, но в глубинной зоне основными являются неорганические формы свя­ занного азота, в частности нитраты (рис. 6.4).

Сопоставление концентраций конечных продуктов окисления

органического	вещества, нитратов и фосфатов,		в океане по их от­
ношению Р/N	показывает, что между ними существует линейная
зависимость (рис.		6.5). Отношение Р/N заключено между 1 : 12 и
1 : 15, что заметно		ниже стехиометрического	(1 : 16). Различие

7*

100	Глава 6. Биогенные вещества

Рис. 6.4. Распределение органических и неорганических форм азота в высокопро­ дуктивных районах Атлантического (а), Индийского (б) и Тихого (s) океанов, по Ю. Ф. Лукашеву (1973, 1977) и И. В. Соколовой (1979).