Какие общие географо-экологические особенности Чёрного моря обуславливают наличие сероводорода в его глубинных водах?

К числу общих географо-экологических особенностей Чёрного моря, которые обуславливают наличие сероводорода в его глубинных водах, можно отнести:

А. Наличие устойчивого вертикального разделения вод по солёности (галоклин) и плотности (пикноклин), которое не нарушается даже в зимние месяцы и препятствует активному перемешиванию поверхностных и глубинных вод.

Б. Большую величину отношения площади водосборной поверхности к площади зеркала для Чёрного моря, составляющую 4,4, что на порядок больше, чем в среднем для океана (0,4).

В. Первостепенное значение бактериальных процессов в формировании современного экологического режима Чёрного моря, в частности, широкое распространение процессов бактериальной сульфатредукции, приводящих к образованию сероводорода, которыми охвачена большая часть (около 80%) его водной толщи и донных осадков, находящаяся в пределах анаэробной зоны.

Вертикальное разделение вод Чёрного моря на менее солёные (и, следовательно, менее плотные) поверхностные воды, которые «опираются» на более солёные и плотные глубинные воды, объясняется следующими особенностями (рис. 7.1):

1) постоянным поступлением пресных и малосолёных вод (570 км³), которое намного превышает величину испарения с поверхности моря (360 км³);

2) наличием системы узких и мелководных проливов, соединяющих Чёрное море с Атлантическим океаном, препятствующих активному водообмену между ними.

Рис. 7.1. Особенности гидрологического режима Чёрного моря.

 

 

Избыток поступающей в Чёрное море пресной воды сбрасывается верхним течением (до 40 м) через Босфор, а нижним течением через Босфор в Чёрное море поступают высокосолёные «тяжёлые» воды, которые заполняют его глубинные слои. В результате этих процессов поддерживается устойчивое разделение вод по солёности: поверхностные воды с меньшей солёностью постоянно разбавляются пресными водами, а глубинные воды пополняются высокосолёными водами Мраморного моря.

Перемешивание вод в результате действия ветра и волн, а также атмосферных осадков и течений ограничивается несколькими десятками метров и не может кардинально изменить ситуацию. В тёплые сезоны года разделение на два слоя – поверхностных (более тёплых и менее плотных) и глубинных (более холодных и плотных) вод, так называемый термоклин, характерно для многих морей. Обычно охлаждение поверхностного слоя вод с наступлением холодного времени года приводит к тому, что их плотность постепенно возрастает. Более холодные и плотные поверхностные воды опускаются ко дну, вытесняя глубинные воды. Происходит так называемое термальное перемешивание.

Для объяснения отсутствия термального перемешивания вод в Чёрном море нами поставлен лабораторный эксперимент (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Модели галоклина, термоклина и термального перемешивания вод.

П И К Н О К Л И Н

НЕТ ПИКНОКЛИНА

1%0

25 0С

20%0

10 0С

ГАЛОКЛИН

ТЕРМОКЛИН

КОНТРОЛЬ

После добавления льда:

 

ТЕРМАЛЬНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ВОД	1. Окрашенную воду с солёностью 1%0 приливают на слой воды с соленостью 20%0; 2. Окрашенную воду с температурой 25 0С приливают на слой воды с t = 10 0С; 3. Окрашенную воду приливают на слой воды с той же температурой и солёностью. 1а и 2а – кубик льда добавлен в цилиндры 1 и 2. Перемешивание слоев наблюдается (20 минут) в варианте 2а.
	лед					лед
		¯ ­
1а					2а
ГАЛОКЛИН	ТЕРМОКЛИН

 

Описание результатов лабораторного эксперимента (вариант)

Результаты лабораторного эксперимента показывают (рис. 7.2), что разделение двух слоёв жидкости, имеющих разную солёность (№ 1 – галоклин) и температуру (№ 2 – термоклин), а, следовательно, и разную плотность (пикноклин) сохраняется длительное время. При добавлении кубика льда (№ 2а) вода верхнего слоя начинает быстро охлаждаться и плотность её возрастает. Более плотная вода опускается на дно цилиндра, вытесняя воду с меньшей плотностью – наблюдается т. н. термальное перемешивание вод.

В эксперименте термальное перемешивание вод отмечено только для модели термоклина (№ 2а). В модели галоклина (№ 1а) термальное перемешивание вод за время эксперимента не наблюдалось. В этом случае, очевидно, даже охлаждённые поверхностные воды имеют меньшую плотность, чем вода нижнего слоя с большей солёностью.

Таким образом, наличие постоянного галоклина резко ограничивает возможность перемешивания поверхностных и глубинных слоёв вод в Чёрном море. Растворённый кислород может поступать в глубокие слои только в результате процессов диффузии. Хотя (по сравнению с перемешиванием) процессы диффузии протекают медленно, со временем во всей толще вод моря должна была бы установиться высокая равновесная концентрация растворенного кислорода. Но этого не происходит, так как кислород активно расходуется:

а) на процессы аэробного дыхания в кислородной зоне по схеме:

(СН₂О) + О₂ Þ СО₂ + Н₂О

б) на процессы хемосинтеза в переходной зоне, например, по схеме:

2Н₂S + О₂ Þ 2Н₂О + 2S; 2S + 2Н₂О + 3О₂ Þ 2Н₂SО₄

В результате поступление О₂ в глубинные слои резко снижается. Органическое вещество, попадая в глубокие, лишённые кислорода слои, служит пищей различным анаэробным бактериям, например, разлагается путем бактериальной сульфатредукции (одна из форм «анаэробного дыхания») по схеме:

2СН₂О(тв.) + SО₄^2-(водн.) Þ 2НСО₃^-(водн) + Н₂S(водн.)

Образующийся при этом сероводород заражает бескислородные воды. Для протекания процессов бактериальной сульфатредукции нужны, по крайней мере, три условия:

1) недостаток свободного кислорода (О₂);

2) наличие органической пищи для сульфатредуцирующих бактерий;

3) наличие сульфатов (SО₄^2-)

Причины возникновения анаэробных условий в глубинных водах, связанные с активным расходованием О₂, рассмотрены ранее.

Сульфаты – один из главных анионов морской воды, поэтому протекание процессов бактериальной сульфатредукции возможно во всей толще бескислородных вод, вплоть до максимальных глубин (> 2000 м).

Органическое вещество (СН₂О), используемое сульфатредуцирующими бактериями после его отмирания (детрит – «мёртвое» органическое вещество), образуется в процессе фотосинтеза (в освещенной зоне) и хемосинтеза, а также поступает с огромной водосборной площади Чёрного моря со стекающими водами.

Во всех «нормальных» морях и океанах основная масса органического вещества образуется в поверхностных водах (куда проникает достаточное количество света) в результате фотосинтеза. Детрит, образующийся в результате отмирания фито- и зоопланктона, а также других организмов и их прижизненных выделений, медленно оседает в толще воды под действием силы тяжести. Условно считается, что для полного разложения оседающего детрита достаточно глубины в 400 – 500 м. Именно на такой глубине ещё встречается органическое вещество в донных осадках.

На больших глубинах органика в составе донных осадков практически отсутствует. Это, конечно, не относится к крупным водным животным – китам, акулам и пр. Туши погибших китов способны достичь дна в самых глубоких районах Мирового океана. Тонны органической пищи, случайно попавшей в «пустынные» районы, привлекают на пир, продолжающийся многие годы, тысячи и тысячи самых невероятных обитателей морских глубин.

В Чёрном море в анаэробных условиях глубинных вод разложение детрита резко замедляется. Поэтому органические осадки накапливаются даже на максимальных глубинах, где служат пищей исключительно анаэробным бактериям.

Можно сказать, что аномально высокое отношение площади водосборной поверхности к площади зеркала Чёрного моря (= 4,4) косвенно влияет на его сероводородное заражение двумя путями:

1) большой сток пресных вод в море поддерживает существование галоклина;

2) избыточное поступление биофильных элементов и непосредственно органических веществ (эвтрофизация) даёт пищу сульфатредуцирующим бактериям.

Дело в том, что во всех эвтрофных водоёмах образуемая «своими» продуцентами и привносимая извне органика не может полностью использоваться аэробными гетеротрофами – не хватает кислорода (точнее, кислород поступает медленнее, чем он расходуется на окисление органики). Накопление в таких водоёмах неразложившегося органического вещества вызывает целый ряд негативных последствий: от образования губительных для аэробных организмов восстановленных соединений (Н₂S, NН₃ и других продуктов «анаэробного дыхания») до заполнения чаши водоёма полуразложившимися органическими остатками, что характерно для небольших эвтрофных озёр. Во многих случаях экосистемы олиготрофных водоёмов оказываются более стабильными, устойчивыми по сравнению с эвтрофными.