Хемоклин — это разновидность клина , слоя жидкости с различными свойствами , характеризующегося сильным вертикальным химическим градиентом внутри водоема . В водоемах, где встречаются хемоклины, клин разделяет верхние и нижние слои, в результате чего эти слои приобретают разные свойства. [1] Нижний слой показывает изменение концентрации растворенных газов и твердых веществ по сравнению с верхним слоем. [2]
Хемоклины чаще всего возникают там, где местные условия благоприятствуют образованию бескислородной придонной воды — глубокой воды с дефицитом кислорода , где могут существовать только анаэробные формы жизни. Обычные анаэробные организмы, обитающие в этих условиях, включают фототрофные пурпурные серобактерии и зеленые серобактерии . [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, обстоятельства, при котором водоем не полностью смешивается и циркулирует, вызывая расслоение . [1] [6]
В любом водоеме, в котором богатые кислородом поверхностные воды хорошо перемешаны ( голомиктические ), хемоклина не будет, так как нет расслоения слоев. [7] Хемоклины могут стать нестабильными, когда растворенные газы становятся перенасыщенными, например, H 2 S, из-за смешивания, связанного с пузырьками или кипением ( кипение ). [8]
Хемоклин, содержащий наибольший химический градиент, 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 перемешивание. Более того, изменчивость плотности хемоклина определяет степень, в которой водный объект будет подвергаться смешиванию и циркуляции. Поскольку хемоклин действует как барьер между смешанными и несмешанными слоями, более глубокий слой мономолимниона часто является бескислородным. [1] Отсутствие газообмена между слоем монолимниона и атмосферой приводит к увеличению потребления кислорода над производством кислорода. Это создает отрицательный окислительно-восстановительный потенциал наряду с аноксическими и эвксиниевыми условиями. [7]
Нестабильность хемоклина характеризуется явлениями вертикального перемешивания. Они могут быть спровоцированы повышением концентрации H 2 S выше 1 ммоль/кг в богатом сульфидами глубинном слое монолимниона. Затем эвксиновая глубинная вода поднимется вверх в миксолимнион у поверхности, а сероводород будет выброшен в атмосферу. [8] Это также может быть вызвано другими газами, такими как углекислый газ.
Для многих озер характерна нестабильность хемоклина. Стратификация озера может быть нарушена из-за событий перемешивания, происходящих 1, 2 и 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 обычно узкие и глубокие, с низким соотношением поверхности к объему, слабым ветровым волнением и продолжающейся эвтрофикацией . [6]
В результате различий между верхними и нижними слоями аэробная жизнь ограничивается областью выше хемоклина, тогда как анаэробные виды, способные жить в бескислородных условиях, обитают ниже клина. Кроме того, выше хемоклина процессы фотосинтеза могут происходить из-за присутствия света, но ниже света недостаточно для процветания фотосинтезирующих бактерий. [9] В миксолимнионе, расположенном над хемоклином, примеры фототрофных видов включают цианобактерии , тогда как монолимнион содержит восстановители сульфатов и окислители сульфидов. [7] В самом хемоклине фотосинтезирующие 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 бескислородном 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 располагались исключительно в хемоклине озера из-за присутствия света и сульфида. [9]
Кроме того, микробные процессы могут быть ответственны за наличие химических различий в хемоклине. Такие процессы, как фиксация углекислого газа, круговорот серы и активность экзоферментов, происходят в клине с повышенной скоростью по сравнению с окружающим водоемом. Из-за различных химических свойств хемоклина он часто может поддерживать самые разнообразные формы жизни в небольшом слое. [11]
Однако нестабильность хемоклина может нарушить баланс видов бактерий, обнаруженных в каждом слое. Эвксиновые глубинные воды, поднимающиеся вверх в фотическую зону, могут привносить сульфиды и вызывать цветение сероокисляющих бактерий в верхнем миксолимнионе. [8]