Стимулирование светом окисления сероводорода в анаэробной зоне Черного моря

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Элементная сера – обычный продукт окисления сероводорода в фотической зоне меромиктических водоемов, появляющийся благодаря аноксигенному окислению сероводорода фотосинтетическими бактериями. Фотическая зона в Черном море ограничена 50–60 м, что гораздо выше верхней границы сероводородной зоны, которая в центре моря находится на глубине 90–100 м. В периферийных районах моря глубина редокс интерфейса достигает 150–170 м, где, как предполагалось, фотоавтотрофные бактерии мало распространены и находятся в неактивном состоянии. Исследование распределения элементной серы в анаэробной зоне Черного моря показало, что воды с глубин 180–300 м обладают световой чувствительностью. Это приводит к резкому росту концентраций серы до 11.3 мкмоль/кг при фоновых значениях 0.15–0.18 мкмоль/кг в строго анаэробных условиях. Выяснено, что столь значительный рост элементной серы связан с деятельностью фотоавтотрофных бактерий. Остаются невыясненными условия существования фотоавтотрофных бактерий на глубинах 180–300 м в Черном море при отсутствии света.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Дубинин

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Москва

М. Н. Римская-Корсакова

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Москва

Е. О. Дубинина

Институт геологии рудных месторождений петрографии, минералогии и геохимии РАН

Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Москва

Т. П. Демидова

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Москва

Л. С. Семилова

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Москва

Е. Д. Бережная

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Москва

Е. Н. Зологина

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Москва

О. А. Очередник

Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Email: dubinin@ocean.ru
Россия, Геленджик

Список литературы

  1. Дубинин А.В., Демидова Т.П., Кременецкий В.В. и др. Определение восстановленных форм серы в анаэробной зоне Черного моря: сравнение методов спектрофотометрии и иодометрии // Океанология. 2012. Т. 52. № 2. С. 200–209.
  2. Дубинин А.В., Демидова Т.П., Римская-Корсакова М.Н. и др. Определение восстановленных форм серы в воде анаэробных бассейнов // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35. № 1. C. 37–51. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-37-51
  3. Дубинин А.В., Демидова Т.П., Семилова Л.С. и др. Элементная сера и ее изотопный состав в воде Черного моря // Доклады РАН. Науки о Земле. 2023. Т. 511. № 1. С. 24–30. https://doi.org/10.31857/S2686739723600480
  4. Дубинин А.В., Дубинина Е.О., Демидова Т.П. и др. Изотопы серы в верхней части анаэробной зоны Черного моря// Океанология. 2017. Т. 57. № 6. С. 885–893. https://doi.org/10.7868/S0030157417060041
  5. Якушев Е.В., Виноградова Е.Л., Дубинин А.В. и др. Об определении низких концентраций кислорода методом Винклера // Океанология. 2012. № 1. С. 131–138.
  6. Canfield D.E. Biogeochemistry of sulfur isotopes // In: Stable isotope geochemistry. Reviews in mineralogy and geochemistry. 2001. V.43. P. 607–636.
  7. Dubinin A.V., Demidova T.P., Ocherednik O.A. et al. Distribution and Variations of Elemental Sulfur in the Upper Part of the Black Sea Anoxic Water Column // Oceanology. 2024. V. 64. No. 2. P. 250–259. https://doi.org/10.1134/S0001437024020048
  8. Dubinin A.V., Dubinina E.O., Demidova T.P. et al. Stable isotope evidence for the Bottom Convective Layer homogeneity in the Black Sea. Geochemical Transactions. 2014. 15:3. https://doi.org/10.1186/1467-4866-15-3
  9. Fry B., Gest H., Hayes J.M. 34S/32S fractionation in sulfur cycles catalyzed by anaerobic bacteria // Applied and Environmental Microbiology. 1988a. P. 250–256.
  10. Fry B., Ruf W., Gest H. et al. Sulfur isotope effects associated with oxidation of sulfide by O2 in aqueous solution // Chem. Geol. 1988b. 73. P. 205–210.
  11. Gorlenko V.V., Mikheev P.V., Rusanov I.I. et al. Ecophisiological properties of photosynthetic bacteria from the Black Sea chemocline zone// Microbiology. 2005. V.74. № 7. P. 239–247.
  12. Henkel J.V., Dellwig O., Pollehne F. et al. A bacterial isolate from the Black Sea oxidizes sulfide with manganese (IV) oxide // Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 2019. V.116. № 25. P. 12153–12155.
  13. Jørgensen B.B., Fossing H., Wirsen C.O. et al. Sulfide oxidation in the anoxic Black Sea chemocline // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, Black Sea Oceanography: Results from the 1988 Black Sea Expedition. 1991. V.38. P.S1083–S1103. https://doi.org/10.1016/S0198-0149(10)80025-1
  14. Kamyshny Jr A., Zerkle A.L., Mansaray Z.F. et al. Biogeochemical sulfur cycling in the water column of a shallow stratified sea-water lake: Speciation and quadruple sulfur isotope composition // Marine Chemistry. 2011. 127. P. 144–154.
  15. Karl D.M., Knauer G.A. Microbial production and particle flux in the upper 350 m of the Black Sea. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, Black Sea Oceanography: Results from the 1988 Black Sea Expedition. 1991. V. 38. P. S921–S942. https://doi.org/10.1016/S0198-0149(10)80017-2
  16. Kelly D. Stable sulfur isotope fractionation by the Green Bacterium Clorobaculum parvum during photolithoautotrophic growth on sulfide// Polish Journal of Microbiology. 2008. V.57. № 4. P. 275–279.
  17. Kleinjan W.E., de Keizer A., Janssen A.J.H. Biologically produced sulfur// Top Curr. Chem. 2003. V.230. P. 167–188. https://doi.org/10.1007/b12114
  18. Konovalov S.K., Luther G.I.W., Friederich G.E. et al. Lateral injection of oxygen with the Bosporus plume – fingers of oxidizing potential in the Black Sea // Limnology and Oceanography. 2003. V.48. P. 2369–2376. https://doi.org/10.4319/lo.2003.48.6.2369
  19. Manske A.K., Glaeser J., Kuypers M.M.M. et al. Physiology and Phylogeny of Green Sulfur Bacteria Forming a Monospecific Phototrophic Assemblage at a Depth of 100 Meters in the Black Sea // Applied And Environmental Microbiology. 2005. V. 71. № 12. P. 8049–8060.
  20. Marschall E., Jogler M., Henßge U. et al. Large-scale distribution and activity patterns of an extremely low-light-adapted population of green sulfur bacteria in the Black Sea // Environmental microbiology. 2010. V.12. № 5. P. 1348–1362.
  21. Milucka J., Ferdelman T.G., Polerecky L. et al. Zero-valent sulphur is a key intermediate in marine methane oxidation // Nature. 2012. V.491. P. 541–546.
  22. Pimenov N.V., Neretin L.N. Composition and activities of microbial communities involved in carbon, sulfur, nitrogen and manganese cycling in the oxic/anoxic interface of the Black Sea // In: Past and Present Water Column Anoxia. Dordrecht: Springer, 2006. P. 501–521. (NATO Science Series: IV: Earth and Environmental Sciences; vol. 64). https://doi.org/10.1007/1-4020-4297-3_19
  23. Wakeham S.G., Amann R., Freeman K.H. et al. Microbial ecology of the stratified water column of the Black Sea as revealed by a comprehensive biomarker study // Org. Geochem. 2007. V.38. P. 2070–2097. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2007.08.003.
  24. Zerkle A.L., Farquar J., Johnston D.T. et al. Fractionation of multiple sulfur isotopes during phototrophic oxidation of sulfide and elemental sulfur by a green sulfur bacterium // Geochim. Cosmochim. Acta. 2009. V.73. P. 291–306.
  25. Zerkle A.L., Kamyshny Jr.A., Kump L.R. et al. Sulfur cycling in a stratified euxinic lake with moderately high sulfate: Constraints from quadruple S isotopes // Geochim. Cosmochim. Acta. 2010. V. 74. P. 4953–4970.
  26. Zopfi J., Ferdelman T.G., Fossing H. Distribution and fate of sulfur intermediates – sulfite, tetrathionate, thiosulfate, and elemental sulfur – in marine sediments // In: Amend J.P. et al. (Eds.). Sulfur biogeochemistry – Past and present. Geological Society of America Special Paper. Boulder, Colorado, 2004. V.379. P. 97–116.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Распределение ZVS, взвешенной элементной серы и сероводорода в воде станции Ашамба29 (июль 2023 года).

Скачать (188KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение элементной серы (штриховой линией – предполагаемое) в пробах с добавлением глутаральдегида (2.5%) и без его добавления по вертикали толщи анаэробных вод на станции Ашамба31 в октябре 2023 года. Для характеристики анаэробных вод приведены концентрации сероводорода.

Скачать (168KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Желтыми овалами на микрофотографии, полученной методом SEM-EDX, показаны очаговые скопления элементной серы на фильтре горизонта 250 м станции Ашамба29 (а), и отдельное скопление серы при большом увеличении (б). Сера представлена фрагментами в капсулах из органического вещества, предположительно представляющих оболочки клеток бактерий. В поле зрения попал одиночный кокколитофорид Emiliania huxleyi рядом с обломком растительного происхождения.

Скачать (301KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Морфология выделений элементной серы внутри оболочек из органического вещества (а-в) и пирита (г) на горизонте 250 м станции Ашамба29. Стрелкой показано на рис. 4а место соединения двух клеток бактерий.

Скачать (344KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Элементная сера в бактериальных клетках в виде ветвящихся цепочек (а) и в отраженных электронах характеристического излучения серы (б).

Скачать (171KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вариации концентрации взвешенной элементной серы (размер частиц > 0.45 мкм) относительно сульфидной в анаэробной зоне Черного моря на станциях Ашамба29, Ашамба31 и 138.1 [3]. Синим цветом выделен интервал концентраций H2S, при котором наблюдается фотосинтетический рост концентраций элементной серы.

Скачать (146KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024