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]
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]
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:
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:
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]
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:
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.
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)