Oxygen absorption in the oxidation of organic compounds in the coastal sediments of Sevastopol (the Black Sea)

Main Article Content

V. P. Chekalov

http://orcid.org/0000-0002-4023-5117

Abstract

The formation of the oxygen regime of water bodies is closely related to the intensity of the biological processes in the bottom sediments. The aim of this work was the defining the role of  different groups of bacteria in the utilization of oxygen in the oxidation of organic compounds in the sediments of the coastal areas of Sevastopol, including using original methodological approaches. The total oxygen absorption of the bacterial community is considered as set of processes of aerobic utilization and oxidation of the reduced products of anaerobiosis. Oxygen absorbed in 0.01-cm surface layer is about 40 %. The values of oxygen flux through a unit surface of various mechanical composition of bottom sediments were quite comparable due to differences in the bacterial density and the depth of penetration of oxygen. The values of aerobic oxygen absorption changed from the mouth to the inner part of Sevastopol Bay from 2.69 to 1.82 mkgO2·sm-2·h-1. Utilization rate of organic carbon in the surface layer of Sevastopol Bay sediments was evaluated within 1.57–2.76 mkgС·sm-2·h-1 and reached 1.13 and 0.34 mkg in paleoriverbeds of Chernaya and Belbek. The production of reduced compounds in recalculation on H2S ranged from 0.096 to 0.65 mkg·sm-2·h-1. The share of active anaerobic microflora of the maximum possible in conditions of real temperature was 7.5–87.5 % and oxyphilic — 0.2–31 %. Thus, the ratio of aerobic oxygen demand and, through metabolism products oxidation, anaerobic microbiota determines their potential contribution to processes of decomposition of organic matter. However, realization of this possibility is limited by the factors of actual oxygen content and temperature.

Article Details

ChekalovV. P. Oxygen absorption in the oxidation of organic compounds in the coastal sediments of Sevastopol (the Black Sea). Marine Biological Journal, 2016, vol. 1, no. 4, pp. 44-52. doi: 10.21072/mbj.2016.01.4.06
Keywords:
sediments, oxygen consumption, bakteriobentos, the Black Sea
Section
Scientific communications

References

1. Агатова А. И., Аржанова Н. В., Лапина Н. М., Торгунова Н. И., Красюков Д. В. Пространственно-временная изменчивость органического вещества в прибрежных экосистемах Кавказского шельфа Чёрного моря // // Океанология. 2005. Т. 45, № 5. С. 670–677. [Agatova A. I., Arzhanova N. V., Lapina N. M., Torgunova N. I., Krasyukov D. V. Prostranstvenno-vremennaya izmenchivost’ organicheskogo veshchestva v pribrezhnykh ekosistemakh Kavkazskogo shel’fa Chernogo morya. Okeanologiya, 2005, vol. 45, no. 5, p. 670–677. (in Russ.)]

2. Богдановская В. В., Вершинин А. В., Розанов А. Г. Потоки кислорода на границе вода-осадок (по результатам исследований в Кандалакшском заливе Белого моря) // Геохимия. 1998. № 11. С. 1172–1178. [Bogdanovskaya V. V., Vershinin A. V., Rozanov A. G. Potoki kisloroda na granitse voda-osadok (po rezul’tatam issledovanii v Kandalakshskom zalive Belogo morya). Geokhimiya, 1998, no. 11, p. 1172–1178. (in Russ.)].

3. Бусев А. И., Симонова Л. Н. Аналитическая химия серы. Mосква : Наука, 1975. 272 с. [Busev A. I., Simonova L. N. Analiticheskaya khimiya sery. Moskva: Nauka, 1975, 272 р. (in Russ.)].

4. Горбенко Ю. А. О наиболее благоприятном ко-личестве «сухого питательного агара» в средах для культивирования морских гетеротрофных микроорганизмов // Микробиология. 1961. T. 30, вып. 1. С. 168–172. [Gorbenko Yu. A. O naibolee blagopriyatnom kolichestve “sukhogo pitatel’nogo agara” v sredakh dlya kul’tivirovaniya morskikh geterotrofnykh mikroorganizmov. Mikrobiologiya, 1961, vol. 30, iss. 1, p. 168–172. (in Russ.)].

5. Готтшалк Г. Метаболизм бактерий. Москва : Мир, 1982. 310 с. [Gottshalk G. Metabolizm bakterii. Moskva: Mir, 1982, 310 р. (in Russ.)].

6. Гулин М. Б., Коваленко М. В. Палеорусла рек Чёрная и Бельбек на шельфе юго-западного Крыма – новый объект экологических исследований // Морской экологический журнал. 2010. Т. 9, № 1. С. 23–31. [Gulin M. B., Kovalenko M. V. Paleorusla rek Chernaya i Bel’bek na shel’fe yugo-zapadnogo Kryma - novyi ob”ekt ekologicheskikh issledovanii. Morskoi ekologicheskii zhurnal, 2010, vol. 9, no. 1, p. 23–31. (in Russ.)].

7. Егоров В. Н., Пименов Н. В., Малахова Т. В., Канапацкий Т. А., Артёмов Ю. Г., Малахова Л. В. Биогеохимические характеристики распределения метана в воде и донных осадках в местах струйных газовыделений в акватории Севастопольских бухт // Морской экологический журнал. 2012. T. 11, № 3. С. 41–52. [Egorov V. N., Pimenov N. V., Malakhova T. V., Kanapatskii T. A., Artemov Yu. G., Malakhova L. V. Biogeokhimicheskie kharakteristiki raspredeleniya metana v vode i donnykh osadkakh v mestakh struinykh gazovydelenii v akvatorii Sevastopol’skikh bukht. Morskoi ekologicheskii zhurnal, 2012, vol. 11, no. 3, p. 41–52. (in Russ.)].

8. Заика В. Е., Коновалов С. К., Сергеева Н. Г. Локальные и сезонные явления гипоксии на дне Севастопольских бухт и их влияние на макробентос. // Морской экологический журнал. 2011. T. 10, № 3. С. 15–25. [Zaika V. E., Konovalov S. K., Sergeeva N. G. Lokal’nye i sezonnye yavleniya gipoksii na dne Sevastopol’skikh bukht i ikh vliyanie na makrobentos. Morskoi ekologicheskii zhurnal, 2011, vol. 10, no. 3, p. 15–25. (in Russ.)].

9. Ломова Д. В. Потребление кислорода донными отложениями водохранилища долинного типа : автореф. дисс. … канд. геогр. наук. Москва, 1995. 17 с. [Lomova D. V. Potreblenie kisloroda donnymi otlozheniyami vodokhranilishcha dolinnogo tipa: avtoref. diss. … kand. geogr. nauk. Moskva, 1995, 17 р. (in Russ.)].

10. Некрасов Б. В. Основы общей химии : в 2 т. Москва : Химия, 1973. Т. 1. 656 с. [Nekrasov B. V. Osnovy obshchei khimii: v 2 t. Moskva: Khimiya, 1973, vol. 1, 656 р. (in Russ.)].

11. Орехова Н. А., Коновалов С. К. Кислород и сероводород в донных осадках Севастопольской бухты // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа: Сб. науч. тр. Севастополь, 2009. Вып. 18. С. 48–56. [Orekhova N. A., Konovalov S. K. Kislorod i serovodorod v donnykh osadkakh Sevastopol’skoi bukhty. In: Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa: Sb. nauch. tr. Sevastopol’, 2009, iss. 18, p. 48–56. (in Russ.)].

12. Орехова Н. А., Коновалов С. К. Изменение геохимических характеристик в донных осадках Крымского побережья // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа: сб. науч. тр. 2013. Bып. 27. С. 284–288. [Orekhova N. A., Konovalov S. K. Izmenenie geokhimicheskikh kharakteristik v donnykh osadkakh Krymskogo poberezh’ya. In: Ekologicheskaya bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa: sb. nauch. tr., 2013, iss. 27, p. 284–288. (in Russ.)].

13. Орехова Н. А., Коновалов С. К. Анализ потоков кислорода и сероводорода на границе донных отложений Крымского побережья как метод оценки состояния акватории // Современное состояние и перспективы наращивания морского ресурсного потенциала юга России: Тезисы докладов международной научной конференции (Кацивели, 15–18 сентября 2014 г.). Севастополь : ЭКОСИ–Гидрофизика, 2014. С. 61–62. [Orekhova N. A., Konovalov S. K. Analiz potokov kisloroda i serovodoroda na granitse donnykh otlozhenii Krymskogo poberezh’ya kak metod otsenki sostoyaniya akvatorii. In: Sovremennoe sostoyanie i perspektivy narashchivaniya morskogo resursnogo potentsiala yuga Rossii: Tezisy dokladov mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii (Katsiveli, 15–18 sentyabrya 2014). Sevastopol’: EKOSI–Gidrofizika, 2014, p. 61–62. (in Russ.)].

14. Розанов А. Г., Вершинин А. В., Егоров А. В. Исследование химического обмена на границе вода-дно в Голубой бухте Чёрного моря // Водные ресурсы. 2010. T. 37, № 3. С. 341–350. [Rozanov A. G., Vershinin A. V., Egorov A. V. Issledovanie khimicheskogo obmena na granitse voda-dno v Goluboi bukhte Chernogo morya. Vodnye resursy, 2010, vol. 37, no. 3, p. 341–350. (in Russ.)].

15. Стейниер Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов : в 3 т. Москва : Мир. 1979. Т. 3. 486 с. [Steinier R., Edel’berg E., Ingrem Dzh. Mir mikrobov: v 3 t. Moskva: Mir, 1979, vol. 3, 486 p. (in Russ.)].

16. Чекалов В. П. Методические аспекты учета численности бактериобентоса в условиях сезонного колебания температур // Вісник Дніпропетровського Университету : Біологія. Екологія. 2012. Т. 20, № 7/1. С. 101–107. [Chekalov V. P. Metodicheskie aspekty ucheta chislennosti bakteriobentosa v usloviyakh sezonnogo kolebaniya temperatur. Vіsnik Dnіpropetrovs’kogo Universitetu : Bіologіya. Ekologіya, 2012, vol. 20, no. 7/1, p. 101–107. (in Russ.)].

17. Чекалов В. П. Эффект реверсного восстановления окраски метиленового синего и возможность его применения для оценки функционального состояния бактериальных сообществ // Морской экологический журнал. 2012. T. 11, № 1. С. 74–80. [Chekalov V. P. Effekt reversnogo vosstanovleniya okraski metilenovogo sinego i vozmozhnost’ ego primeneniya dlya otsenki funktsional’nogo sostoyaniya bakterial’nykh soobshchestv. Morskoi ekologicheskii zhurnal, 2012, vol. 11, no. 1, p. 74–80. (in Russ.)].

18. Юдин И. П. Современные подходы к оценке жизнеспособности бактерий с акцентом на феномене некультурабельности // Annals of Mechnicov Institute. 2007. № 3. С. 8–16. [Yudin I. P. Sovremennye podkhody k otsenke zhiznesposobnosti bakterii s aktsentom na fenomene nekul’turabel’nosti. Annals of Mechnicov Institute, 2007, no. 3, p. 8–16. (in Russ.)].

19. Burns N. M. Oxygen depletion in the central and eastern basins of Lake Erie, 1970. J. Fish. Res. Board Can, 1976, vol. 33, no. 3, p. 512–519.

20. Colwell R. R. Bacterial death revisited. Nonculturable microorganisms in the environment Ed. D. J. Grimes. Washington, D. C. ASM Press, 2000, p. 325–342.

21. Dale N. G. Bacteria in intertidal sediments: factors related to their distribution. Limnol. Oceanogr, 1974, vol. 19, no. 3, p. 509–518.

22. Froelich P. N., Klinkhammer G. P., Bender M. L., Luedtke N. A., Heath G. R., Cullen D., Dauphin P., Hammond D., Hartmann B. Early oxidation of organic matter in pelagic sediments of the eastern equatorial Atlatic: suboxic diagenesis. Geochim. Cosmochim. Acta, 1979, vol. 43, p. 1075–1090.

23. Glud R. N., Gundersen J. K., Jorgensen B. B. Revsbech N. P., Schulz H. D. Diffusive and total oxygen uptake of deep-sea sediments in the eastern South Atlantic Ocean: in situ and laboratory measurements. Deep-Sea Research, 1994, vol. 41, p. 1767–1788.

24. Schulz H. D. Quantification of early diagenesis: dissolved constituents in marine pore waters. Marine Geochemistry. Springer. Berlin. Heidelberg, 2000, p. 85–128.

25. Stahl H., Tengberg A., Brunnegard J., Bjornbom E.,Forbes T. L., Josefson A. B., Kaberi H. G., Karle Hassellov I. M., Olsgard F., Roos P., Hall P. O. J. Factors influencing organic carbon recycling and burial in Skagerrak sediments. Journal of Marine Research, 2004, vol. 62, p. 867–907.