Оценка влияния потоков pH на границе раздела «осадок–вода» на придонный слой воды у побережья Намибии

17 июля 2026 9:50

// Аналитическое оборудование

Как процессы в донных осадках влияют на кислотность морской воды? В этой работе исследуется изменение pH поровой воды на шельфе Намибии с использованием одноразовых проточных измерительных ячеек PreSens.

Исследование пространственной изменчивости pH поровой воды с использованием одноразовых проточных измерительных ячеек

Анита Флор, Тим Риксен, Маттиас Биркихт, Лейбницевский центр тропической морской экологии, Бремен, Германия

Восточные прибрежные апвеллинговые системы, такие как Бенгельская система апвеллинга у юго-западного побережья Африки, характеризуются высокими концентрациями растворённого неорганического углерода (DIC) и низкими значениями pH в поверхностных прибрежных водах. Однако роль потоков DIC через границу раздела «осадок–вода» на шельфе Намибии, где донные осадки содержат большое количество органического углерода (TOC), до сих пор изучена недостаточно.

В данной работе исследована пространственная изменчивость pH поровой воды с использованием прототипов одноразовых проточных измерительных ячеек (FTC-SU-HP8). Целью исследования было определить влияние содержания органического углерода в донных осадках на pH поровой воды и перекрывающей её придонной воды.

Предварительные результаты показывают, что при прохождении над шельфом придонная вода обогащается растворённым неорганическим углеродом. Одновременно возрастает общая щёлочность (TA), что, вероятно, обусловлено сочетанием процессов растворения карбонатов и анаэробных процессов, таких как денитрификация, происходящих в донных осадках и придонной воде. Повышение общей щёлочности увеличивает буферную ёмкость системы и смягчает снижение pH, несмотря на рост концентрации DIC.

Прибрежные апвеллинговые системы, в частности Бенгельская система апвеллинга (BUS) у юго-западного побережья Африки, представляют собой области, где глубинные воды, обогащённые CO₂, поднимаются к поверхности. Это сопровождается повышенным выделением углекислого газа в атмосферу, низкими значениями pH и низкой степенью насыщения карбонатами [1].

Прежде чем достичь поверхности, глубинные воды проходят через шельфовую зону, донные осадки которой характеризуются высоким накоплением общего органического углерода (TOC) (рис. 1) [2]. В этой области ранее были зафиксированы выраженный дефицит кислорода и интенсивное образование растворённого неорганического углерода вследствие аэробной и анаэробной минерализации органического вещества [3, 4]. Это позволяет предположить, что придонная вода дополнительно обогащается DIC по сравнению со своим первоначальным составом.

Для изучения роли потоков DIC через границу раздела «осадок–вода» в дополнительном обогащении водной толщи были исследованы параметры карбонатной системы поровой воды (DIC и pH) вдоль нескольких поперечных профилей через шельф во время экспедиции научно-исследовательского судна RV METEOR в 2013–2014 гг. (рис. 1). Изменения pH поровой воды изучались с использованием прототипов одноразовых проточных измерительных ячеек (FTC-SU-HP8), предназначенных для анализа небольших объёмов проб.

Рис. 1. Район Бенгельской системы апвеллинга у юго-западного побережья Африки (а). Содержание органического углерода в донных осадках у побережья Намибии (цветовая шкала) и точки отбора кернов осадков (кресты) (б). Данные по TOC предоставлены Inthorn и соавт. (2006).

Материалы и методы

Керны донных осадков были отобраны с помощью мультикорера (Multi Corer, MUC), оснащённого ПВХ-трубками. Сразу после подъёма кернов поровая вода извлекалась с использованием пробоотборников Rhizon (Rhizosphere Research Products B.V., Нидерланды), которые вводились в керны через заранее просверленные отверстия с интервалом 1 см (рис. 2).

Rhizon-сэмплеры соединяли с проточной измерительной ячейкой FTC-SU-HP8 (PreSens) и шприцем объёмом 10 мл посредством соединений Luer-Lock для отбора поровой воды.

Измерительные ячейки со встроенными pH-сенсорами до и после использования хранились в морской воде. После отбора поровой воды Rhizon отсоединяли от системы «ячейка–шприц». Воздух удаляли из шприца, измерительную ячейку промывали и герметично закрывали заглушкой.

Затем FTC подключали к волоконно-оптическому pH-метру pH-1 mini (PreSens), после чего регистрировали значения pH до достижения стабильных показаний.

После завершения измерений образцы поровой воды подготавливали и консервировали для последующего определения концентраций растворённого неорганического углерода (DIC) и питательных веществ.

Представленные данные включают предварительные результаты измерений pH и общей щёлочности (TA), выполненных на анализаторе VINDTA 3S (Marianda, Киль).

Для калибровки системы VINDTA 3S, а также контроля точности и возможного дрейфа pH-сенсоров использовали сертифицированный стандартный образец (CRM, партия №111), предоставленный профессором Эндрю Диксоном (Scripps Institution of Oceanography, Ла-Хойя, США).

На основе измеренных значений pH и TA концентрация растворённого неорганического углерода (DIC_calc) рассчитывалась с использованием программного обеспечения CO2SYS [5].

Рис. 2. Схема отбора поровой воды. Для отбора проб с интервалом 1 см использовались пробоотборники Rhizon, соединённые с проточными pH-ячейками. Фото: Т. Риксен.

Измерение pH в поровой воде

Изменчивость pH, измеренная в надосадочной воде кернов, хорошо коррелировала с концентрацией растворённого кислорода. На пространственном уровне минимальные значения pH как в надосадочной воде, так и в поровой воде на глубине 1 см под поверхностью осадка были зарегистрированы в кернах, полученных на участках с высоким содержанием органического углерода (TOC), где наблюдались гипоксические и аноксические условия (O₂ < 5 мкмоль/л; pH около 7,1) (рис. 3).

Это свидетельствует об образовании растворённого неорганического углерода в результате аэробного и анаэробного разложения органического вещества. Однако снижение pH в надосадочной воде оказалось менее выраженным, чем можно было ожидать при увеличении концентрации DIC, поскольку одновременно возрастала общая щёлочность.

Зависимость между общей щёлочностью, нормализованной по солёности (TA₃₅), и нормализованной концентрацией растворённого неорганического углерода (DIC₃₅calc), наблюдаемая в надосадочной воде, варьировала в пределах отношения TA:DIC = 2–1. Это указывает на сочетание процессов растворения карбоната кальция (TA:DIC = 2) и анаэробной минерализации органического вещества, например денитрификации (TA:DIC ≈ 1) [6], которая широко распространена в зоне кислородного минимума на намибийском шельфе [7]. Образование TA₃₅ увеличивает буферную способность системы, благодаря чему снижение pH при росте концентрации DIC происходит более плавно.

Это существенно отличается от процессов в хорошо аэрируемой водной толще, где увеличение DIC₃₅ вследствие аэробного разложения органического вещества сопровождается уменьшением TA₃₅ (TA:DIC ≈ –0,15) [8], что приводит к более резкому снижению pH при увеличении концентрации DIC.

Поскольку денитрификация возможна только при крайне низких концентрациях кислорода, которые являются постоянной особенностью придонных вод северной части Бенгельского шельфа [9], можно предположить, что вклад денитрификации в образование общей щёлочности в поровой и надосадочной воде возрастает по мере приближения к берегу.

Рис. 3. Предварительные результаты измерений pH (чёрная линия) в поровой воде на глубине 1 см под поверхностью осадка и концентрации кислорода (серые линии, мкмоль/л) в перекрывающей придонной воде вдоль разреза у бухты Уолфиш-Бей (23° ю. ш.) (а). Содержание органического углерода TOC (% массы, серое заполнение) и карбоната кальция CaCO₃ (% массы, штриховка) в поверхностных донных осадках вдоль того же разреза (б).

Заключение

Предварительные результаты подчёркивают важную роль потоков веществ из донных осадков, которые способствуют образованию не только растворённого неорганического углерода (DIC), но и общей щёлочности (TA). Повышение щёлочности увеличивает буферную ёмкость морской воды и частично компенсирует снижение pH.

Для более детального понимания процессов, протекающих в донных осадках, оптические pH-сенсоры оказались наиболее подходящим инструментом, поскольку позволяют регистрировать выраженную вертикальную неоднородность pH в поровой воде. Одноразовые проточные измерительные ячейки для измерения pH (FTC-SU-HP8) подтвердили свою высокую эффективность при проведении подобных исследований.