Хемоклин — это тип клина , слоя жидкости с различными свойствами, характеризующегося сильным вертикальным химическим градиентом в пределах водоема . В водоемах, где встречаются хемоклины, клин разделяет верхний и нижний слои, что приводит к различным свойствам этих слоев. [ 1] Нижний слой показывает изменение концентрации растворенных газов и твердых веществ по сравнению с верхним слоем. [2]
Хемоклины чаще всего встречаются там, где местные условия благоприятствуют образованию бескислородной придонной воды — глубокой воды с дефицитом кислорода , где могут существовать только анаэробные формы жизни. Обычные анаэробные организмы, которые живут в этих условиях, включают фототрофные пурпурные серные бактерии и зеленые серные бактерии . [3] Черное море является примером водоема с выраженным хемоклином, хотя подобные водоемы (классифицируемые как меромиктические озера) существуют по всему миру. [4] [5] Меромиктические озера являются результатом меромиксиса, который является обстоятельством, при котором водоем не полностью перемешивается и циркулирует, вызывая стратификацию . [1] [6]
В любом водоеме, в котором богатые кислородом поверхностные воды хорошо перемешаны ( голомиктические ), хемоклин не будет существовать, поскольку нет стратификации слоев. [7] Хемоклины могут стать нестабильными, когда растворенные газы становятся перенасыщенными, такими как H2S , из-за смешивания, связанного с пузырьками или кипением ( вскипание ). [8]
Содержащий наибольший химический градиент, хемоклин представляет собой тонкий пограничный слой, разделяющий меромиктическое озеро на две части: верхний миксолимнион и нижний монимолимнион. [7] Миксолимнион — это область, доступная ветру, где вода может полностью перемешиваться и циркулировать. Однако монимолимнион плотный и не может взаимодействовать с ветром таким же образом, предотвращая смешивание. Более того, изменчивость плотности хемоклина определяет степень, в которой водоем будет подвергаться перемешиванию и циркуляции. Поскольку хемоклин действует как барьер между смешанными и несмешанными слоями, более глубокий слой монимолимниона часто является бескислородным. [1] Отсутствие газообмена между слоем монимолимниона и атмосферой приводит к увеличению потребления кислорода по сравнению с его производством. Это создает отрицательный окислительно-восстановительный потенциал наряду с бескислородными и эвксиновыми условиями. [7]
Нестабильность хемоклина характеризуется вертикальными событиями смешивания. Они могут быть вызваны увеличением концентрации H 2 S выше 1 ммоль/кг в богатом сульфидами глубинном слое монолимниона. Затем эвксиновая глубинная вода поднимется в миксолимнион вблизи поверхности, а сероводород будет выброшен в атмосферу. [8] Это также может быть вызвано другими газами, такими как углекислый газ.
Во многих озерах нестабильность хемоклина является типичной. Стратификация озера может быть нарушена из-за событий смешивания, которые происходят 1, 2 или более раз в год. Эти события смешивания происходят в мономиктических , димиктических или полимиктических озерах. Однако в меромиктических озерах стратификация постоянна. Эти озера со стабильным хемоклином, как правило, узкие и глубокие с низким отношением поверхности к объему, слабым ветровым возмущением и продолжающейся эвтрофикацией . [6]
В результате различий между верхним и нижним слоями аэробная жизнь ограничена областью над хемоклином, в то время как анаэробные виды, способные жить в бескислородных условиях, обитают под клином. Кроме того, над хемоклином фотосинтетические процессы могут происходить из-за наличия света, но ниже недостаточно света для процветания фотосинтетических бактерий. [9] В миксолимнионе, над хемоклином, примерами фототрофных видов являются цианобактерии , в то время как монолимнион содержит сульфатредукторы и сульфидокислители. [7] В самом хемоклине фотосинтетические формы анаэробных бактерий , такие как зеленые фототрофные и пурпурные серные бактерии , группируются и используют как солнечный свет сверху, так и сероводород ( H 2 S), вырабатываемый анаэробными бактериями внизу. [7] [9] Из-за градиента условий слой хемоклина может содержать обилие фототрофных бактерий и высокие концентрации тиосульфата и элементарной серы. [7] Метанотрофные бактерии также были обнаружены в аноксическом градиенте некоторых хемоклинов. [10] Исследование, проведенное в озере Эйс, расположенном в Антарктиде, изучало процесс аноксигенного фотосинтеза, осуществляемого зелеными серными бактериями в озере, и обнаружило, что они были расположены исключительно в хемоклине озера из-за присутствия света и сульфида. [9]
Более того, микробные процессы могут быть ответственны за наличие химических различий в хемоклине. Такие процессы, как фиксация углекислого газа, цикл серы и экзоферментная активность, происходят в клине с повышенной скоростью по сравнению с окружающим водоемом. Из-за различных химических свойств хемоклина он часто может поддерживать разнообразный набор форм жизни в небольшом слое. [11]
Однако нестабильность хемоклина может нарушить баланс видов бактерий, обнаруженных в каждом слое. Эвксинная глубинная вода, которая поднимается в фотическую зону, может привнести сульфиды и вызвать цветение сероокисляющих бактерий в верхнем миксолимнионе. [8]