Исследование суточной динамики вертикального распределения метана в аэробной зоне Черного моря в комплексе с акустическими исследованиями звукорассеивающих слоев

Т. В. Малахова1, ✉, Ю. Г. Артёмов1, А. И. Хурчак1, Л. В. Решетник1, А. В. Федирко2, В. Н. Егоров1

1 ФГБУН ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН», Севастополь, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: t.malakhova@imbr-ras.ru

Аннотация

Цель. Оценка суточной динамики вертикального распределения CH4 в кислородной зоне Черного моря на различных по глубине станциях в комплексе с акустическими исследованиями звукорассеивающих слоев (ЗРС) – цель данной работы.

Методы и результаты. Исследования проводили в 113-м рейсе НИС «Профессор Водяницкий» (июнь 2020 г.) в верхнем 100-метровом слое на глубоководной станции (1570 м) в северо-восточной части Черного моря и на мелководной станции (39 м) в Ялтинском заливе. Обнаружены отличия в вертикальном распределении концентрации СН4 в воде этих районов. Суточный диапазон концентраций СН4 в поверхностном слое воды (0–1 м) составил 0,8–16 нмоль/л и 0,2–7 нмоль/л в мелководном и глубоководном районе соответственно. Показана высокая изменчивость потоков на границе вода – атмосфера в течение суток: от стока СН4 из атмосферы в воду до эмиссии, достигающей 3 мкмоль/м2·сут СН4, в атмосферу.

Выводы. Максимальные потоки СН4 в атмосферу на обеих станциях наблюдали в ночные часы. Показано, что атмосферная эмиссия СН4 не является значимым фактором в его перераспределении в воде, так как рассчитанные величины суточного удельного потока СН4 на границе атмосфера – вода составляют доли процента от его запасов в столбе воды. Установлен сходный характер суточной динамики вертикального распределения СН4 и ЗРС в аэробном слое глубоководной станции. На фоне общей высокой вариабельности данных для отдельных временны́х диапазонов получены значимые коэффициенты детерминации между концентрацией СН4 и коэффициентом звукорассеяния слоя ml' как характеристикой количества биомассы.

Ключевые слова

метан, «метановый парадокс», эмиссия, аэробный слой, звукорассеивающие слои, Черное море

Благодарности

Авторы благодарят экипаж 113-го рейса НИС «Профессор Водяницкий» и Е. О. Сахоня за помощь в проведении забортных работ. Работа подготовлена по теме государственного задания ФИЦ ИнБЮМ «Молисмологические и биогеохимические основы гомеостаза морских экосистем» (121031500515-8).

Для цитирования

Исследование суточной динамики вертикального распределения метана в аэробной зоне Черного моря в комплексе с акустическими исследованиями звукорассеивающих слоев / Т. В. Малахова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 2. С. 249–265. EDN RGDPTI. doi:10.29039/0233-7584-2023-2-249-265

Malakhova, T.V., Artemov, Yu.G., Khurchak, A.I., Reshetnik, L.V., Fedirko, A.V. and Egorov, V.N., 2023. Studying Diurnal Dynamics of Vertical Methane Distribution in the Black Sea Aerobic Zone Combined with Acoustic Research of the Sound-Scattering Layers. Physical Oceanography, 30(2), pp. 229-244. doi:10.29039/1573-160X-2023-2-229-244

DOI

10.29039/0233-7584-2023-2-249-265

EDN

RGDPTI

Список литературы

  1. Reeburgh W. S. Oceanic Methane Biogeochemistry // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107, iss. 2. P. 486–513. https://doi:10.1021/cr050362v
  2. Brough T., Rayment W., Dawson S. Using a recreational grade echosounder to quantify the potential prey field of coastal predators // PLoS ONE. 2019. Vol. 14, iss. 5. e0217013. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0217013
  3. Karl D. M., Tilbrook B. D. Production and transport of methane in oceanic particulate organic matter // Nature. 1994. Vol. 368. P. 732–734. https://doi.org/10.1038/368732a0
  4. Bižic M., Grossart H.-P., Ionescu D. Methane Paradox // eLS. Chichester : John Wiley & Sons, Ltd., 2020. P. 1–11. https://doi.org/10.1002/9780470015902.a0028892
  5. Биогеохимический цикл метана на северо-западном шельфе Черного моря / И. И. Русанов [и др.] // Микробиология. 2002. Т. 71, № 4. С. 558–566.
  6. Biogenic Gas (CH4, N20, DMS) Emission to the Atmosphere from Near-shore and Shelf Waters of the North-western Black Sea / D. Amouroux [et al.] // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2002. Vol. 54. iss. 3. P. 575–587. https://doi.org/10.1006/ecss.2000.0666
  7. Егоров А. В. Некоторые черты распределения метана в водной толще северо-восточной части Черного моря // Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря. М. : Наука, 2002. С. 183–190.
  8. Aerobic production of methane in the sea / D. M. Karl [et al.] // Nature Geoscience. 2008. Vol. 1, iss. 7. P. 473–478. doi:10.1038/ngeo234
  9. Methane production in aerobic oligotrophic surface water in the central Arctic Ocean / E. Damm [et al.] // Biogeoscience. 2010. Vol. 7, iss. 3. P. 1099–1108. https://doi.org/10.5194/bg-7-1099-2010
  10. Microbial methane production in oxygenated water column of an oligotrophic lake / H.-P. Grossart [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2011. Vol. 108, iss. 49. P. 19657–19661. doi:10.1073/pnas.1110716108
  11. Methane Production in Oxic Lake Waters Potentially Increases Aquatic Methane Flux to Air / K. W. Tang [et al.] // Environmental Science & Technology Letters. 2016. Vol. 3, iss. 6. P. 227–233. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.6b00150
  12. Lilley M. D., Baross J. A., Gordon L. I. Dissolved hydrogen and methane in Saanich Inlet, British Columbia // Deep-Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1982. Vol. 29, iss. 12. P. 1471–1484. https://doi.org/10.1016/0198-0149(82)90037-1
  13. Oremland R.S. Methanogenic activity in plankton samples and fish intestines. A mechanism for in situ methanogenesis in oceanic surface waters // Limnology and Oceanography. 1979. Vol. 24, iss. 6. P. 1136–1141. doi:10.4319/lo.1979.24.6.1136
  14. Sieburth J. M. Contrary habitats for redox-specific processes: Methanogenesis in oxic waters and oxidation in anoxic // Microbes in the sea / Ed. M. A. Sleight. Chichester, U. K. : Ellis-Horwood, 1987. P. 11–38.
  15. Methane production by three widespread marine phytoplankton species: release rates, precursor compounds, and potential relevance for the environment / T. Klintzsch [et al.] // Biogeosciences. 2019. Vol. 16, iss. 20. P. 4129–4144. https://doi.org/10.5194/bg-16-4129-2019
  16. Evidence for methane production by the marine algae emiliania huxleyi / K. Lenhart [et al.] // Biogeosciences. 2016. Vol. 13, iss. 10. P. 3163–3174. https://doi.org/10.5194/bg-13-3163-2016
  17. Evidence for methane production by saprotrophic fungi / K. Lenhart [et al.] // Nature Communications. 2012. Vol. 3. 1046. doi:10.1038/ncomms2049
  18. Light-driven carbon dioxide reduction to methane by nitrogenase in a photosynthetic bacterium / K. R. Fixen [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006. Vol. 113, iss. 36. P. 10163–10167. https://doi.org/10.1073/pnas.1611043113
  19. A pathway for biological methane production using bacterial iron-only nitrogenase / Y. Zheng [et al.] // Nature Microbiology. 2018. Vol. 3, iss. 3. P. 281–286. doi:10.1038/s41564-017-0091-5
  20. DelSontro T., del Giorgio P. A., Prairie Y. T. No Longer a Paradox: The Interaction Between Physical Transport and Biological Processes Explains the Spatial Distribution of Surface Water Methane Within and Across Lakes // Ecosystems. 2018. Vol. 21, iss. 6. P. 1073–1087. doi:10.1007/s10021-017-0205-1
  21. Contribution of oxic methane production to surface methane emission in lakes and its global importance / M. Günthel [et al.] // Nature Communications. 2019. Vol. 10, iss. 1. 5497. doi:10.1038/s41467-019-13320-0
  22. Marty D. G. Methanogenic bacteria in seawater // Limnology and Oceanography. 1993. Vol. 38. P. 452–456.
  23. de Angelis M. A., Lee C. Methane production during zooplankton grazing on marine phytoplankton // Limnology and Oceanography.1994. Vol. 39, iss. 6. P. 1298–1308. doi:10.4319/lo.1994.39.6.1298
  24. The contribution of zooplankton to methane supersaturation in the oxygenated upper waters of the central Baltic Sea / O. Schmale [et al.] // Limnology and Oceanography. 2018. Vol. 63, iss. 1. P. 412–430. https://doi.org/10.1002/lno.10640
  25. Effects of temperature and light on methane production of widespread marine phytoplankton / T. Klintzsch [et al.] // Biogeosciences. 2020. Vol. 125, iss. 9. e2020JG005793. https://doi.org/10.1029/2020JG005793
  26. Егоров В. Н., Артемов Ю. Г., Гулин С. Б. Метановые сипы в Черном море: средообразующая и экологическая роль. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 405 с.
  27. Dissolved methane during hypoxic events at the Boknis Eck time series station (Eckernförde Bay, SW Baltic Sea) / H. W. Bange [et al.] // Biogeosciences. 2010. Vol. 7, iss. 4. P. 1279–1284. https://doi.org/10.5194/bg-7-1279-2010
  28. Sudheesh V., Gupta G. V. M., Naqvi S. W. A. Massive Methane Loss During Seasonal Hypoxia/Anoxia in the Nearshore Waters of Southeastern Arabian Sea // Frontiers in Marine Science. 2020. Vol. 7. 324. doi:10.3389/fmars.2020.00324
  29. Особенности распределения метана в эвфотическом слое северной части Черного моря в летний сезон 2018 года (по данным 102-го рейса НИС «Профессор Водяницкий») / Т. В. Малахова [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 2. С. 186–201.
  30. Kolb B., Ettre L. S. Static Headspace-Gas Chromatography. Theory and Practice. New Jersey, Hoboken : John Wiley & Sons, 2006. 349 p.
  31. Распределение метана в воде и донных осадках на восточном сахалинском побережье, шельфе и склоне Охотского моря / А. И. Обжиров [и др.] // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2012. № 6 (166). C. 32–41.
  32. Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean revisited // Limnology and Oceanography. 2014. Vol. 12, iss. 6. P. 351–362. https://doi.org/10.4319/lom.2014.12.351
  33. Wiesenburg D. A., Guinasso Jr. N. L. Equilibrium solubilities of methane, carbon monoxide, and hydrogen in water and sea water // Journal of Chemical and Engineering Data. 1979. Vol. 24. iss. 4. P. 356–360. https://doi.org/10.1021/je60083a006
  34. Андреева И. Б. Звукорассеивающие слои – акустические неоднородности толщи вод океана // Акустический журнал. 1999. Т. 45, № 4. С. 437–444.
  35. Recreational Fish-Finders—An Inexpensive Alternative to Scientific Echo-Sounders for Unravelling the Links between Marine Top Predators and Their Prey / A. M. McInnes [et al.] // PLoS ONE. 2015. Vol. 10, iss. 11. e0140936. https://doi:10.1371/journal.pone.0140936
  36. Brough T., Rayment W., Dawson S. Using a recreational grade echosounder to quantify the potential prey field of coastal predators // PLoS ONE. 2019. Vol. 14, iss. 5. e0217013. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0217013
  37. Makarov M. M., Kucher K. M., Naumova E. Yu. Vertical distribution of zooplankton after rapid change in temperature and chlorophyll concentration // Limnology and Freshwater Biology. 2019. Vol. 1. P. 177–180. https://doi.org/10.31951/2658-3518-2019-A-1-177
  38. Буланов В. А. К вопросу об оценке распределения биомассы в деятельном слое океана по данным о рассеянии звука // Подводные исследования и робототехника. 2008. № 1 (5). С. 58–65.
  39. Artemov Yu. G. Software support for investigation of natural methane seeps by hydroacoustic method // Marine Ecological Journal. 2006. Vol. 5, iss. 1. P. 57 – 71.
  40. Леин А. Ю., Иванов М. В. Биогеохимический цикл метана в океане. Москва : Наука, 2009. 576 с.
  41. Dissolved Methane in Coastal Waters of the Northeastern Black Sea / E. S. Izhitskaya [et al.] // Water. 2022. Vol. 14, iss. 5. 732. https://doi.org/10.3390/w14050732
  42. Inter-Comparison of the Spatial Distribution of Methane in the Water Column From Seafloor Emissions at Two Sites in the Western Black Sea Using a Multi-Technique Approach / R. Grilli [et al.] // Frontiers in Earth Science. 2021. Vol. 9. 626372. doi:10.3389/feart.2021.62
  43. Sommer S., Schmidt M., Linke P. Continuous inline mapping of a dissolved methane plume at a blowout site in the Central North Sea UK using a membrane inlet mass spectrometer – Water column stratification impedes immediate methane release into the atmosphere // Marine and Petroleum Geology. 2015. Vol. 68, Part B. P. 766–775. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2015.08.020

Скачать статью в PDF-формате