Environment-Forming Effect of Bubble Gas Emissions in the Golubaya Bay, Black Sea: Oxygen Regime and Bacterial Mats

T. V. Malakhova; Малахова Т. В.; A. I. Murashova; Мурашова А. И.; I. N. Ivanova; Иванова И. Н.; A. A. Budnikov; Будников А. А.; L. V. Malakhova; Малахова Л. В.; E. A. Krasnova; Краснова Е. А.; O. A. Rylkova; Рылькова О. А.; N. V. Pimenov; Пименов Н. В.

doi:10.31857/S0016752523030081

Environment-Forming Effect of Bubble Gas Emissions in the Golubaya Bay, Black Sea: Oxygen Regime and Bacterial Mats

Autores: Malakhova T.¹, Murashova A.¹, Ivanova I.², Budnikov A.², Malakhova L.¹, Krasnova E.³^,4, Rylkova O.¹, Pimenov N.⁵
Afiliações:
1. Moscow Office, Kovalevsky Institute of the Biology of Southern Seas, Russian Academy of Sciences (IBSS RAS)
2. Department of Marine and Land Water Physics, Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University
3. Department of Geology and Geochemistry of Fossil Fuels, Faculty of Geology, Lomonosov Moscow State University
4. Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry Russian Academy of Sciences (GEOKhI RAS)
5. Vinogradsky Institute of Microbiology, Federal Research Center “Fundamentals of Biotechnology”, Russian Academy of Sciences
Edição: Volume 68, Nº 3 (2023)
Páginas: 294-305
Seção: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0016-7525/article/view/134796
DOI: https://doi.org/10.31857/S0016752523030081
EDN: https://elibrary.ru/MCZGGW
ID: 134796

Citar

Texto integral

Acesso aberto
Acesso é fechado

Acesso está concedido
Acesso é fechado

Somente assinantes

Resumo
Sobre autores
Bibliografia
Arquivos suplementares
Estatísticas

Resumo

Gas seep and fluid flows from the seabed are an environment-forming factor of the aquatic environment, mainly due to their influence on the dissolved gases in the water, including dissolved oxygen. During the summer seasons from 2019 to 2021 in the area of shallow water gas emission site off the southern coast of the Heracles Peninsula, series of vertical probing profiles were carried out to determine hydrological parameters of the water: dissolved oxygen concentration (O2), temperature (T), salinity (S), and flow velocity (U). The study area is an underwater ledge with faults in the form of three canyons composed of dense limestones, two of which contained bubble gas emissions. Significant variability in O2 was identified in canyons where gas emissions are observed: from 1 to 80% saturation in the bottom layer, in contrast to normoxia at the background sites. Hypoxia was observed in the bottom layer above the emission sites in the absence of turbulence at temperature stratification. The values S decreased with depth, and the maximum difference reached 0.4‰. The bubble gas was dominated by methane (68.5–75.5%), and the carbon isotope composition of the bubble methane gas varied from –67.9 to –59.8‰ VPDB in 2019 and 2020, respectively. This generally indicates that the CH4 is of predominantly microbial genesis, was formed under different conditions, and matured in various periods of research during the monitoring period. Bacterial mats (mostly sulfur-oxidizing bacteria) were found in the areas of gas emissions.

Palavras-chave

methane seeps, dissolved oxygen, hypoxia, thermohaline water structure, bacterial mats, sulfur-oxidizing bacteria, carbon isotope composition, Black Sea

Bibliografia

Будников А.А., Иванова И.Н., Малахова Т.В., Кириллов Е.В. (2019) Измерение гидрологических параметров воды над метановым сипом в бухте Ласпи в течение непрерывных in situ экспериментов. Ученые записки физического факультета Московского университета. 3, 193090.
Егоров В.Н., Плугатарь Ю.В., Малахова Т.В., Садогурский С.Е., Мосейченко И.Н. (2018) Обнаружение струйных газовыделений в акватории у мыса Мартьян. Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада. 126, 9-13.
Егоров В.Н., Артемов Ю.Г., Гулин С.Б. (2011) Метановые сипы в Черном море средообразующая и экологическая роль. Под ред. Г.Г. Поликарпова. Севастополь: НПЦ “ЭКОСИ-Гидрофизика”, 405.
Егоров В.Н., Пименов Н.В., Малахова Т.В., Канапацкий Т.А., Артемов Ю.Г., Малахова Л.В. (2012) Биогеохимические характеристики распределения метана в воде и донных осадках в местах струйных газовыделений в акватории Севастопольских бухт. Морской экологический журн. 11(3), 41-52.
Зори А.А., Коренев В.Д., Хламов М.Г. (2000) Методы, средства, системы измерения и контроля параметров водных сред. Донецк: РИА ДонГТУ, 388.
Зубов Н.Н., Бруевич С.В., Шулейкин В.В. (1931) Океанографические таблицы М. Гидрометеоиздат. Москва, 208.
Иванов В.Е., Ломакин И.Э., Тополюк А.С., Ефремцева Л.Л., Болдырев, С.Н. (2009). Особенности тектоники юго-западного Крыма. Геология и полезные ископаемые мирового океана. 4, 27-39.
Иванов М.В., Леин А.Ю., Гальченко В.Ф. (1992) Глобальный метановый цикл в океане. Геохимия. (7), 1035-1044.
Иванова Е.А. (2017) Экология мейобентоса метановых сипов Черного моря: фаунистические характеристики и результаты наблюдений физиологического состояния методом прямого микроскопирования. Экосистемы. 40, 28-34.
Каллистовa А.Ю., Меркель А.Ю., Тарновецкий И.Ю., Пименов Н.В. (2017) Образование и окисление метана прокариотами. Микробиология. 86(6), 661-683.
Кондратьев С.И., Прусов А.В., Юровский Ю.Г. (2010) Наблюдения субмаринной разгрузки подземных вод (Южный берег Крыма). Морской гидрофизический журн. 1. 32-45.
Кравченко В.Г. (2008) Механизм функционирования подводных газовых факелов Черного моря. Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 1, 106-115.
Леин А.Ю., Иванов М.В. (2009). Биогеохимический цикл метана в океане. Наука. 576.
Малахова Т.В., Иванова И.Н., Будников А.А., Мурашова А.И., Малахова Л.В. (2021) Распределение гидрологических параметров над площадкой метановых пузырьковых газовыделений в Голубой бухте (Черное море) – связь с субмаринной пресноводной разгрузкой. Метеорология и гидрология. 11, 109-118.
Малахова Т.В., Егоров В.Н., Малахова Л.В., Артемов Ю.Г., Пименов Н.В. (2020) Биогеохимические характеристики мелководных струйных метановых газовыделений в прибрежных районах Крыма в сравнении с глубоководными сипами Черного моря. Морской биологический журн. 5(4), 37-55.
Носов М.А. Введение в теорию турбулентности. Москва. Издательство Янус-К., 2004. 120 с.
Пасынков А.А., Вахрушев Б.А. (2017) Субмаринные источники пресных вод юго-восточного Крыма. Ученые записки Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского. География. Геология. 3(69), 250-263.
Пименов Н.В., Егоров В.Н., Канапацкий Т.А., Малахова Т.В., Артемов Ю.Г., Сигалевич П.А., Малахова Л.В. (2013). Микробные процессы цикла метана и сульфатредукция в осадках акватории севастопольских бухт. Микробиология. 82(5), 614-614.
Горячкин Ю.Н., Долотов В.В., Фомин В.В. (2015). Современное состояние береговой зоны Крыма. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 252.
Сорокин Ю.И. (2011) К оценке скоростей процессов образования и окисления сероводорода в Черном море в холодный период года. Океанология. 51(6), 1030-1038.
Тимофеев В.А., Иванова Е.А., Гулин М.Б. (2014) Обнаружение нового поля газовых сипов у черноморского побережья п-ова Крым. Морской экологический журн. 13(1), 34-34.
Bratbak G. (2018) Microscope methods for measuring bacterial biovolume: epifluorescence microscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy. Handbook of methods in aquatic microbial ecology. CRC Press, 309-317.
Bravo M.E., Levin L.A., Fiori S.M., Aliotta S., Ginsberg S. (2021). Can no-bubble methane seeps affect biological traits of benthic macroinvertebrates in coastal systems. Estuarine, Coastal Shelf Sci. 261, 107525.
Bryukhanov A.L., Vlasova M.A., Perevalova A.A., Pimenov N.V., Malakhova T.V. (2018) Phylogenetic diversity of the sulfur cycle bacteria in the bottom sediments of the Chersonesus Bay. Microbiology. 87(3), 372-381.
Brüchert V., Currie B., Peard K.R. (2009). Hydrogen sulphide and methane emissions on the central Namibian shelf. Prog. Oceanogr. 83(1–4), 169-179.
Budnikov A.A., Malakhova T.V., Ivanova I.N., Linchenko E.V. (2020) Application of a Passive Acoustic Method for Detection and Estimation of Shallow-Water Bubble Gas Emissions. Moscow Univ. Phys. Bull. 74(6), 690-696.
Burnett W.C., Bokuniewicz H., Huettel M., Moore W.S., Taniguchi M. (2003) Groundwater and pore water inputs to the coastal zone. Biogeochemistry. 66, 3-33.
Etiope G., Papatheodorou G., Christodoulou D. P., Ferentinos G., Sokos E., Favali P (2006) Methane and hydrogen sulfide seepage in the northwest Peloponnesus petroliferous basin (Greece): Origin and geohazard. AAPG bulletin. 90(5), 701-713.
Garcia-Soto C., Cheng L., Caesar L., Schmidtko S., Jewett E.B., Cheripka A., Abraham J.P. (2021) An overview of ocean climate change indicators: Sea surface temperature, ocean heat content, ocean pH, dissolved oxygen concentration, arctic sea ice extent, thickness and volume, sea level and strength of the AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation). Front. Mar. Sci. 8:642372.
Zhang J.-Zh. Millero F.J. (1993). The products from the oxidation of H2S in seawater. Geochim. Cosmochim. Acta. 57(8), 1705-1718.
Judd A., Martin H. (2009) Seabed fluid flow: the impact on geology, biology and the marine environment. Cambridge University Press, 475 p.
Lecher A.L., Kessler J., Sparrow K., Garcia T., Kodovska F., Dimova N., Murray J., … Paytan A. (2016) Methane transport through submarine groundwater discharge to the North Pacific and Arctic Ocean at two Alaskan sites. Limnology and Oceanography. 61(S1), 344-355.
Li N., Yang X., Peckmann J., Zhou Y., Wang H., Chen D., Feng D. (2021) Persistent oxygen depletion of bottom waters caused by methane seepage: Evidence from the South China Sea. Ore Geol. Rev. 129, 103949.
Machel H.G., Krouse H.R., Sassen R. (1995) Products and distinguishing criteria of bacterial and thermochemical sulfate reduction. Appl. Geochem. 10, 373-389.
Malakhova T.V.,Egorov V.N., Malakhova L.V., Artemov Y.G., Evtushenko D.B., Gulin S.B., Kanapatskii T.A., Pimenov N.V. (2015) Microbial processes and genesis of methane gas jets in the coastal areas of the Crimean Peninsula. Microbiology. 84(6), 838-845.
Milkov A.V., Etiope G. (2018). Revised genetic diagrams for natural gases based on a global dataset of >20.000 samples. Org. Geochem. 125, 109-120.
Pape T., Bahr A., Rethemeyer J., Kessler J.D., Sahling H., Hinrichs K.-U., Klapp S.A., Reeburgh W.S., Bohrmann G. (2010) Molecular and isotopic partitioning of low-molecular-weight hydrocarbons during migration and gas hydrate precipitation in deposits of a high-flux seepage site. Chem. Geol. 269(3–4), 350-363.
Pierre C., Demange J., Blanc-Valleron M.M., Dupré S. (2017). Authigenic carbonate mounds from active methane seeps on the southern Aquitaine Shelf (Bay of Biscay, France): evidence for anaerobic oxidation of biogenic methane and submarine groundwater discharge during formation. Cont. Shelf Res. 133, 13-25.
Pimenov N.V., Merkel A.Yu., Tarnovetskii I.Yu., Malakhova T.V., Samylina O.S., Kanapatskii T.A., Tikhonova E.N., Vlasova M.A. (2018) Structure of Microbial Mats in the Mramornaya Bay (Crimea) Coastal Areas. Microbiology. 87(5), 681-691.
Sellanes J., Zapata-Hernández G., Pantoja S., Jessen G.L. (2011). Chemosynthetic trophic support for the benthic community at an intertidal cold seep site at Mocha Island off central Chile. Estuarine, Coastal Shelf Sci. 95(4), 431-439.
Tarnovetskii I.Y., Merkel A.Y., Kanapatskiy T.A., Ivanova E.A., Gulin M.B. Toshchakov S., Pimenov N.V. (2018). Decoupling between sulfate reduction and the anaerobic oxidation of methane in the shallow methane seep of the Black Sea. FEMS Microbiol. Lett. 365(21), fny235.
Vaquer-Sunyer R., Duarte C.M. (2008). Thresholds of hypoxia for marine biodiversity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105.40, 15452-15457.
Whiticar M.J. (2002). Diagenetic relationships of methanogenesis, nutrients, acoustic turbidity, pockmarks and freshwater seepages in Eckernförde Bay. Mar. Geol. 182(1–2), 29-53.
Whiticar M.J. (1999) Carbon and hydrogen isotope systematics of bacterial formation and oxidation of methane. Chem. Geol. 161(1–3), 291-314.