stringtranslate.com

Граница раздела осадок-вода

Поток насыщенной кислородом воды в осадки и из них осуществляется за счет биотурбации или перемешивания осадков, например, за счет строительства червячных трубок.

В океанографии и лимнологии граница раздела осадок -вода является границей между донными отложениями и вышележащей толщей воды. Этот термин обычно относится к тонкому слою (глубиной примерно 1 см, хотя и варьируется) воды на самой поверхности отложений на морском дне. В океане, эстуариях и озерах этот слой взаимодействует с водой над ним посредством физических потоков и химических реакций, опосредованных микроорганизмами, животными и растениями, живущими на дне водоема. [1] Топография этого интерфейса часто является динамической, поскольку на нее влияют физические процессы (например, течения , вызывающие рябь или ресуспендирование) и биологические процессы (например, биотурбация, образующая насыпи или траншеи). Физические, биологические и химические процессы происходят на границе раздела осадок-вода в результате ряда градиентов, таких как градиенты химического потенциала, градиенты поровой воды и градиенты кислорода. [2]

Определение

Расположение верхней границы раздела осадок-вода в толще воды определяется как нарушение вертикального градиента некоторого растворенного компонента, такого как кислород, где концентрация переходит от более высокой концентрации в хорошо перемешанной воде выше к более низкой. концентрация на поверхности осадка. Это может включать от менее 1 мм до нескольких мм водного столба. [3] [4]

Физические процессы

Волны и приливные течения могут изменить топографию границы раздела осадочных пород и воды, образуя песчаную рябь, подобную показанной здесь, которая обнажается во время отлива.
Биотурбация перемешивает отложения и изменяет топографию границы раздела осадок-вода, как показано на покадровой фотографии червей, движущихся через отложения.
Цикл серы является отличным примером круговорота питательных веществ в озере, который происходит посредством биологически опосредованных процессов, а также химических окислительно-восстановительных реакций.

Физическое движение воды и отложений изменяет толщину и топографию границы раздела осадок-вода. Повторное взвешивание отложений волнами, приливами или другими возмущающими силами (например, ногами человека на пляже) позволяет поровой воде отложений и другим растворенным компонентам диффундировать из отложений и смешиваться с водой, находящейся наверху. [5] Чтобы произошло ресуспендирование, движение воды должно быть достаточно мощным, чтобы иметь сильное критическое напряжение сдвига , превышающее напряжение сдвига в слое. Например, очень консолидированный слой может быть ресуспендирован только при высоком критическом напряжении сдвига, тогда как «пушистый слой» очень рыхлых частиц может быть ресуспендирован при низком критическом напряжении сдвига. [6] В зависимости от типа озера каждый год может происходить ряд событий перемешивания, которые могут повлиять на границу раздела отложений. Амиктические озера постоянно стратифицированы, равно как и меромиктические озера не перемешиваются. [7] Полимиктические озера часто перемешиваются, а димиктические озера смешиваются дважды в год. Этот тип перемешивания озер представляет собой физический процесс, который может быть вызван наложением ветров, разницей температур или напряжением сдвига внутри озера. [7]

Физические процессы, влияющие на границу раздела осадок-вода, включают, помимо прочего:

Биологические процессы

Взаимодействия между отложениями и организмами, живущими в отложениях, также могут изменять потоки кислорода и других растворенных компонентов в границу раздела осадок-вода и из нее. Такие животные, как черви, моллюски и иглокожие, могут усиливать ресуспендирование и перемешивание за счет движения и строительства нор. [8] Микроорганизмы, такие как бентосные водоросли, могут стабилизировать отложения и поддерживать границу раздела осадок-вода в более стабильном состоянии, создавая маты . Стабилизирующий эффект этих матов из микроводорослей частично обусловлен липкостью экзополимерных веществ (EPS) или биохимического «клея», который они выделяют. [9]

Биологические процессы, влияющие на границу раздела осадок-вода, включают, помимо прочего:

Химические процессы

Существует несколько химических процессов, которые происходят абиотически (химические реакции), а также биотически (микробные или ферментативные реакции). [10] Например, окислительно-восстановительные ( окислительно-восстановительные ) реакции могут происходить просто за счет реакций элементов или за счет окислительно-восстановительных бактерий. Преобразования и круговорот элементов между отложениями и водой происходят посредством абиотических химических процессов и микробиологических химических процессов. [2]

Абиотический

Химические реакции могут происходить на границе раздела осадок-вода абиотически. Примерами этого могут быть насыщение кислородом озерных отложений в зависимости от содержания свободного железа в отложениях (т.е. образование пирита в отложениях), а также доступность серы посредством серного цикла. [11] Седиментация часто является заключительным процессом очистки, который удаляет следы химических веществ и элементов из толщи воды. [2] Отложения на этом участке раздела более пористые и могут удерживать больший объем поровой воды в междоузлиях из-за высокого содержания органических веществ и отсутствия осаждения. Поэтому химические соединения в воде могут претерпевать здесь два основных процесса: 1) диффузию и 2) биологическое смешение. [2] Химическая диффузия в интерстициальные участки и из них происходит преимущественно за счет случайного молекулярного движения. [12] Хотя диффузия является основным способом взаимодействия химических веществ с отложениями, существует ряд процессов физического смешивания, которые облегчают этот процесс (см. раздел «Физические процессы»). Химические потоки зависят от нескольких градиентов, таких как pH и химический потенциал. [13] В зависимости от параметров распределения конкретного химического вещества, химическое вещество может оставаться во взвешенном состоянии в толще воды, распределяться в биоте, распределяться по взвешенным твердым веществам или попадать в осадок. [14] Кроме того, первый закон диффузии Фика гласит, что скорость диффузии является функцией расстояния; с течением времени профиль концентрации становится линейным. [14] Наличие различных загрязнителей озера определяется тем, какие реакции происходят в пресноводной системе.

Химические реакции на границе раздела осадок-вода перечислены ниже:

Биологически опосредованный

Озера

При переходе от вышележащих вод к границе раздела осадок-вода наблюдается увеличение численности бактерий на 3-5 порядков. [15] Хотя бактерии присутствуют на границе раздела по всему бассейну озера, их распределение и функции варьируются в зависимости от субстрата, растительности и солнечного света. Например, популяция бактерий на границе раздела осадок-вода в растительной литоральной зоне имеет тенденцию быть больше, чем популяция более глубокой профундальной зоны [16] из-за более высокого содержания органического вещества в первой. А функциональным артефактом густой растительности на границе раздела может быть большее количество Azotobacter , рода бактерий, способных фиксировать N 2 до ионного аммония (NH 4 + ).

Несмотря на то, что морфометрия бассейна играет роль в распределении бактерий внутри озера, бактериальные популяции и функции в первую очередь определяются наличием специфических окислителей/акцепторов электронов ( например , O 2 , NO 3 - , SO 4 - , CO 2 ). Эти компоненты, диффундирующие из вышележащей воды или нижележащего осадка, могут использоваться и/или образовываться в ходе бактериального метаболизма различными организмами или выбрасываться обратно в толщу воды. Крутые градиенты окислительно-восстановительного потенциала, присутствующие на границе раздела осадок-вода или внутри нее, позволяют выживать множеству аэробных и анаэробных организмов и осуществлять различные окислительно-восстановительные преобразования. Вот лишь некоторые из окислительно-восстановительных реакций, опосредованных микробами, которые могут происходить на границе раздела осадок-вода.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Санчи, Питер; Хёэнер, Патрик; Бенуа, Габури; Бринк, Мэрилин Бухгольц-тен (1990). «Химические процессы на границе раздела осадок-вода». Морская химия . 30 : 269–315. Бибкод : 1990Март..30..269С. дои : 10.1016/0304-4203(90)90076-о.
  2. ^ abcd Санчи, Питер; Хёэнер, Патрик; Бенуа, Габури; Бухгольц-тен Бринк, Мэрилин (1 января 1990 г.). «Химические процессы на границе раздела осадок-вода». Морская химия . 30 : 269–315. Бибкод : 1990Март..30..269С. дои : 10.1016/0304-4203(90)90076-О. ISSN  0304-4203.
  3. ^ Сармьенто, Хорхе Луи (2006). Биогеохимическая динамика океана . Грубер, Николас, 1968-. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 9780691017075. ОСЛК  60651167.
  4. ^ Гундерсен, Йенс К.; Йоргенсен, Бо Баркер (июнь 1990 г.). «Микроструктура диффузионных пограничных слоев и поглощение кислорода морским дном». Природа . 345 (6276): 604–607. Бибкод : 1990Natur.345..604G. дои : 10.1038/345604a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4324203.
  5. ^ Филлипс, Мэтью С.; Соло-Габриэла, Хелена М.; Ренье, Адрианус Дж.Х.М.; Ван, Джон Д.; Кигер, Рассел Т.; Абдель-Мотталеб, Ноха (2011). «Поровый водный транспорт энтерококков из пляжных отложений». Бюллетень о загрязнении морской среды . 62 (11): 2293–2298. Бибкод : 2011MarPB..62.2293P. doi :10.1016/j.marpolbul.2011.08.049. ISSN  0025-326X. ПМК 3202074 . ПМИД  21945015. 
  6. ^ Мехта, Ашиш Дж.; Парфениад, Эммануэль (1982). «Ресуспендирование отложенных связных слоев отложений». Береговая инженерия 1982 : 1569–1588. дои : 10.1061/9780872623736.095. ISBN 9780872623736.
  7. ^ ab «Источники книг», Википедия , получено 15 мая 2020 г.
  8. ^ Гинграс, Мюррей К.; Пембертон, С. Джордж; Смит, Майкл (2015). «Биотурбация: переработка осадков в лучшую или худшую сторону» (PDF) . Шлюмберже . Обзор нефтяного месторождения. стр. 46–58.
  9. ^ Толхерст, Ти Джей; Гаст, Г.; Патерсон, DM (2002). «Влияние внеклеточного полимерного вещества (ЭПС) на стабильность когезионного осадка». Динамика мелких отложений в морской среде . Труды по морским наукам. Том. 5. С. 409–425. дои : 10.1016/s1568-2692(02)80030-4. ISBN 9780444511362.
  10. ^ Бада, JL (2001). «НАСА/АДС». Тезисы осеннего собрания АГУ . 2001 . Бибкод : 2001AGUFM.U51A..11B . Проверено 15 мая 2020 г.
  11. ^ Гарднер, Уэйн, Ли, Г. Фред (1965). «Оксигенация озерных отложений» (PDF) . Международный журнал загрязнения воздуха и воды . 9 : 553–564.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  12. ^ «Библиотека моделей NetLogo: Твердая диффузия» . ccl.northwestern.edu . Проверено 15 мая 2020 г.
  13. ^ Тибодо, Луи Дж.; Джермано, Джозеф (2012), «Интерфейс раздела осадок-вода, химический поток», Мейерс, Роберт А. (редактор), Энциклопедия науки и технологий в области устойчивого развития , Springer, стр. 9128–9145, doi : 10.1007/978- 1-4419-0851-3_645, ISBN 978-1-4419-0851-3, получено 15 мая 2020 г.
  14. ^ аб Шварценбах, Рене П.; Гшвенд, Филип М.; Имбоден, Дитер М. (12 октября 2016 г.). Экологическая органическая химия. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-118-76704-7.
  15. ^ Лимнология. 2001. doi :10.1016/c2009-0-02112-6. ISBN 9780127447605.
  16. ^ Хустал, Мэтью Дж.; Буза, Хуан Л. (1 февраля 2008 г.). «Модулирующая роль растворенного органического вещества в пространственных закономерностях микробного метаболизма в отложениях озера Эри». Микробная экология . 55 (2): 358–368. дои : 10.1007/s00248-007-9281-7. ISSN  1432-184Х. PMID  17607503. S2CID  25154731.