Trace elements and organic carbon in benthic organisms and bottom sediments of the East-Siberian sea

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The first data on the concentrations of a number of trace elements and carbon (organic and carbonate) in the components of the bottom ecosystem of the East Siberian Sea have been obtained. The distribution of a large group of trace elements (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Mo, Ag, Ba, Tl, Pb, Bi, Th and U) in mass taxa of benthic organisms, including Bivalvia Portlandia arctica; Crustacea: Isopoda (Saduria sibirica, Saduria sabini), echinoderms Ophiuroidea Ophiocten sericeum and Holothuroidea Myriotrochus rinkii was studied. The lithological and geochemical characteristics of the enclosing bottom sediments, primarily the sorghum content and the granulometric composition, reflect the influence of abiotic factors. The biotic factor is associated with the geochemical properties of trace elements, the level of organic carbon in organisms, and their type of nutrition. For the first time, a comparative assessment of the levels of organic carbon accumulation in mass taxa and host bottom sediments was made, and an important sedimentological function of deposit feeders organisms was shown.

Full Text

Restricted Access

About the authors

L. L. Demina

Shirshov Oceanology Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: l_demina@mail.ru
Russian Federation, Nakhimovskii prospect, 36, Moscow, 117997

S. V. Galkin

Shirshov Oceanology Institute, Russian Academy of Sciences

Email: galkin@ocean.ru
Russian Federation, Nakhimovskii prospect, 36, Moscow, 117997

A. S. Solomatina

Shirshov Oceanology Institute, Russian Academy of Sciences

Email: blackmaple@yandex.ru
Russian Federation, Nakhimovskii prospect, 36, Moscow, 117997

References

  1. Будько Д.Ф., Демина Л.Л., Лисицын А.П., Кравчишина М.Д., Политова Н.В. (2017) Формы нахождения тяжелых металлов в современных донных осадках Белого и Баренцева морей. ДАН. 474 (1), 93–98. doi: 10.7868/S0869565217130187.
  2. Ветров A.A., Семилетов И.П. Дударев О.В., Пересыпкин В.И., Чаркин А.Н. (2008) Исследование состава и генезиса органического вещества донных осадков Восточно-Сибирского моря. Геохимия. (2), 183–195.
  3. Vetrov A.A., Semiletov I.P., Dudarev O.V., Peresypkin V.I., Charkin A.N. (2008). Composition and genesis of the organic matter in the bottom sediments of the East Siberian Sea. Geochem. Int. 46 (2), 156–167.
  4. Виноградова А.А., Котова Е.И. (2019) Загрязнение северных морей России тяжелыми металлами: поток из атмосферы и речной сток. Геофизические процессы и биосфера. 18 (1), 22–32. doi.org/10.21455/GPB2019.1-3
  5. Демидов А.Б., Гагарин В.И. (2019) Первичная продукция и условия окружающей среды осенью в Восточно-Сибирском море. ДАН. 487, 1006–1011.
  6. Демина Л.Л., Галкин С.В. (2018) Биоаккумуляция микроэлементов в организмах донных биогеоценозов окислительных и восстановительных обстановок океана: сходство и различие. Геохимия. (6), 572–585. doi: 10.7868/S0016752518060067.
  7. Demina L.L., Galkin S.V. (2018) Bioaccumulation of Trace Elements in Organisms of Benthic Biocenoses in Oceanic Oxidized and Reduced Environments: Similarities and Differences. Geochem. Int. 56 (6), 566–578.
  8. Демина Л.Л., Левитан М.А., Политова Н.В. (2006) О формах нахождения некоторых тяжелых металлов в донных осадках эстуарных зон рек Оби и Енисея (Карское море). Геохимия. (2), 212–226.
  9. Demina L.L., Levitan M.A., Politova N.V. (2006) Speciation of some heavy metals in bottom sediments of the Ob and Yenisei estuarine zones. Geochem. Int. 2006, 44 (2), 182–195.
  10. Демина Л.Л., Немировская И.А. (2007) Пространственное распределение микроэлементов в сестоне Белого моря. Океанология. 47 (3), 390–402.
  11. Демина Л.Л., Соломатина А.С., Абызова Г.А. (2019) Тяжелые металлы в зоопланктонных организмах Баренцева моря. Океанологические исследования. 47 (4), 62–75.
  12. Денисенко С.Г., Сиренко Б.И., Гагаев С.Ю., Петряшов В.В. (2010) Донные сообщества: структура и пространственное распределение в Восточно-Сибирском море на глубинах свыше 10 м. Исследование морской фауны. Санкт-Петербург, 130–143.
  13. Левитан М.А. (2015) Скорости седиментации отложений последних пяти морских изотопных стадий в Северном Ледовитом океане. Океанология. 55 (3), 470–479.
  14. Леонова Г.А., Бобров В.А., Шевченко В.П., Прудковский А.А. (2006) Сравнительный анализ микроэлементного состава сестона и донных осадков Белого моря. ДАН. 406 (4), 516–520.
  15. Лисицын А.П. (1994) Ледовая седиментация в Мировом океане. М.: Наука, 450 с.
  16. Лисицын А.П. (1983) Основные понятия биогеохимии океана. Биогеохимия океана. M.: Наука, 9–31.
  17. Лобус Н.В. (2016) Элементный состав зоопланктона Карского моря и заливов восточного побережья Новой Земли. Океанология. 56 (6), 890–900.
  18. Мирошников А.Ю., Флинт М.В., Асадулин Э.Э., Кравчишина М.Д., Лукша В.Б., Усачева А.А., Рябчук Д.Б., Комаров Вл. Б. (2020) Экологическое состояние и минералого-геохимические характеристики донных осакдов Восточно-Сибирского моря. Океанология. 60 (4), 595–610.
  19. Павлидис Ю.А., Ионин А.С., Щербаков Ф.А. и др. (1998) Арктический шельф. Позднечетвертичная история как основа прогноза развития. М.: ГЕОС, 187 с.
  20. Романкевич Е.А., Ветров А.А. (2001) Цикл углерода в Арктических морях России. М.: Наука, 302 с.
  21. Флинт М.В., Поярков С.Г., Римский-Корсаков Н.А., Мирошников А.Ю. (2019) Экосистемы морей Сибирской Арктики – 2018 (72 рейс научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш”). Океанология. 59 (3), 506–509.
  22. Христофорова Н.К., Кавун В.Ю., Латыпов Ю.Ю., Тиен Д.Д., Журавель Е.В., Туян Н.Х. (2007). Тяжелые металлы в массовых видах двустворчатых моллюсков в бухте Ха-Лонг (Южно-Китайское море, Вьетнам). Океанология. 47(5), 685–690. https://doi.org/10.1134/s0001437007050116
  23. Шевченко В.П., Виноградова А.А., Лисицын А.П., Новигатский А.Н., Горюнова Н.В. (2009) Атмосферные аэрозоли как источник осадочного вещества и загрязнений в Северном Ледовитом океане // Система моря Лаптевых и прилегающих морей Арктики. Современное состояние и история развития. М.: Изд-во Московского ун-та, 150–172.
  24. Algeo T.J., Tribovillard N. (2009) Environmental analysis of paleoceanographic systems based on molybdenum-uranium covariation. Chem. Geol. 268, 211—225.
  25. Bensaha S., Kara-Slimane S. (2015) Biosorption of heavy metals by chitin and chitosan. Der. Pharma Chemica. 7(5), 54–63.
  26. Anderson L.G., Bjork I., Jutterström S., Pipko I., Shakhova N., Semiletov I., Wåhlström I. (2011) East Siberian Sea, an Artic region of very high biogeochemical activity. Biogeosciences. 8 (6), 1745–1754.
  27. Blackmore G., Morton B. (2002) The influence of diet on comparative trace metal cadmium, copper and zink accumulation in Thais calvigera (Gastropoda: Muricidae) preying on intertidal barnacles or mussels. Mar. Pollut. Bull. (44), 870–876.
  28. Boguta P, Skic K, Baran A, Szara-Bak M. (2022) The influence of the physicochemical properties of sediment on the content and ecotoxicity of trace elements in bottom sediments. Chemosphere. (287), 132–366.
  29. Brown M.T., Depledge M. H. (1998) Determinants of trace metal concentrations in marine organisms. Metal metabolism in aquatic environments. London: Chapman and Hall, 185–217.
  30. Budko D.F, Demina L.L., Travkina A.V., Starodymova D.P., Alekseeva T.N. (2022) The Features of Distribution of Chemical Elements, including Heavy Metals and Cs-137, in Surface Sediments of the Barents, Kara, Laptev and East Siberian Seas. Minerals. 12 (328). doi.org/10.3390/min12030328.
  31. Bruland K.W., Lohan M.C. (2004) Controls of trace metals in sea water. The Oceans and Marine Geochemistry (in: Holland, H.D., Turekian, K.K. (eds.), Treatise on Geochemistry. Elsevier: Amsterdam. 6, 23–47.
  32. Demina L.L., Galkin S.V. (2018) Ecology of the bottom fauna and bioaccumulation of trace metals along the Lena River – Laptev Sea transect. Environ. Earth Sci. 77(2), 43–55. https://doi.org/10.1007/s12665-018-7231-y.
  33. Demina L.L., Galkin S.V., Solomatina A.S (2024) Bioaccumulation of chemical elements and organic carbon in macrozoobenthic organisms of the Laptev Sea. Oceanology. 64 (1), 9–26.
  34. Demina L.L., Galkin S.V., Krylova E.M., Polonik N.S., Budko D.F., Solomatina A.S. (2022) Trace metal biogeochemistry in methane seeps on the Koryak slope of the Bering Sea. Deep-Sea Res. II. 206, Article 105219. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2022.105219.
  35. Demina L.L., Galkin S.V., Solomatina A.S. (2024) Bioaccumulation of сhemical еlements and щrganic Carbon in Macrozoobenthic Organisms of the Laptev Sea. Oceanology. 1, 9–26.
  36. Du Laing G. (2009) Trace metal behavior in estuarine and riverine floodplain soils and sediments: a review. Sci. Total Environ. 407, 3972–3985.
  37. Fisher N.S., Reinfelder J.R. (1995) The trophic transfer of metals in marine systems // Metal Speciation and Bioavailability in Aquatic Systems. New York: Wiley, 363–406.
  38. Gao L., R. Li, Z. Liang, Q. Wu, Z. Yang, M. Li, J. Chen, L. Hou. (2021). Mobilization mechanisms and toxicity risk of sediment trace metals (Cu, Zn, Ni, and Pb) based on diffusive gradients in thin films: a case study in the Xizhi River basin, South China. J. Hazard. Mater. 410 (15), Article 124590.
  39. Gordeev V.V., Pokrovsky O.S., Zhulidov A.V., Filippov A.S., Gurtovaya T.Y., Holmes R.M., Kosmenko L.S., McClelland J.W., Peterson B.J., Tank S.E. (2024) Dissolved Major and Trace Elements in the Largest Eurasian Arctic Rivers: Ob, Yenisey, Lena, and Kolyma. Water. 16, 316–343. https://doi.org/ 10.3390/w16020316
  40. Grebmeier J.M., Cooper L.W., Feder H.M., Sirenko B.I. (2006) Ecosystem dynamics of the Pacific -influenced Northern Bering and Chukchi Seas in the Amerasian Arctic. Progr. Oceanogr. 77, 331–361.
  41. Jones B., Manning D. (1994). Comparison of geochemical indices used for the interpretation of palaeoredox conditions in ancient mudstones. Chem. Geol. 111, (1–4), 111–129. https://doi.org/10.1016/0009-2541(94)90085X
  42. Karaseva N.P., Rimskaya-Korsakova N.N., Ekimova I.A., Kokarev V.N., Simakov M.I., Gantsevich M.M., Malakhov V.V. (2021) The First Discoveryof Pogonophora (Annelida, Siboglinidae) in the East Siberian Sea Coincides with the Areas of Methane Seeps. Dokl. Biol. Sci. 501, 187–191.
  43. Kokarev V.N., Vedenin A.A., Polukhin A.A., Basin A.B. (2021) Taxonomic and functional patterns of macrobenthic communities on a high Arctic shelf: A case study from the East Siberian Sea. J. Sea Res. 174. 102078. doi.org/10.1016/j.seares.102078.
  44. Langston W.J., Spencer S.K. (1995) Biological factors involved in metal concentrations observed in aquatic organisms. Metal Speciation and Bioavailability in Aquatic Systems. New York: Wiley, 407–478.
  45. Morel F.M.M., Price N.M. (2003) The biogeochemical cycles of trace metals in the oceans. Science. 300, 944–947.
  46. Páez-Osuna F., Osuna-Martínez C.C. (2015). Bioavailability of Cadmium, Copper, Mercury, Lead, and Zinc in Subtropical Coastal Lagoons from the Southeast Gulf of California Using Mangrove Oysters (Crassostrea corteziensis and Crassostrea palmula). Arch. Environ. Contamin. Toxicol. 68 (2), 305–316. https://doi.org/10.1007/s00244-014-0118-3
  47. Rainbow P.S. (2007) Trace metal bioaccumulation: Models, metabolic availability and toxicity. Environ. Intern. 33, 576–582.
  48. Rainbow P. S., Liu F., Wang W. X. (2015). Metal accumulation and toxicity: The critical accumulated concentration of metabolically available zinc in an oyster model. Aquatic Toxicology. 162, 102–108. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2015.03.007
  49. Rudnick R.L., Gao S. (2003) Composition of the continental crust. In Treatise on Geochemistry. (Eds Holland, H.D., Turekian, K.K.). Elsevier Pergamon: Amsterdam, The Netherlands, 1–64.
  50. Salomons W., Forstner U. (1984) Metals in the Hydrocycle. Berlin/Heidelberg: Springer. 349 pp.
  51. Sattarova V., Aksentov K., Astakhov A., Shi X., Hu L., Alatortsev A., Mariash A.,Yaroshchuk E. (2021) Trace metals in surface sediments from the Laptev and East Siberian Seas: Levels, enrichment, contamination assessment, and sources. Mar. Pollut. Bullet. 173. 112997. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2021.112997
  52. Semiletov I., Dudarev O., Luchin V., CharkinA., Shin K.H., Tanaka N. (2005) The East Siberian Sea as a transition zone between Pacific-derived waters and Arctic shelf waters. Geophys. Res. Lett. 32, L10614.
  53. Semiletov I. P., Shakhova N. E., Sergienko V. I., Pipko I. I., Dudarev O. V. (2012) On carbon transport and fate in the East Siberian Arctic land–shelf–atmosphere system. Environ. Res. Lett. 7 (1), 15201. doi: 10.1088/1748-9326/7/1/015201.
  54. Semiletov I., Pipko I., Gustafsson O., Anderson L.G., Sergienko V., Pugach S., Andersson A. (2016) Acidification of East Siberian Arctic Shelf waters through addition of freshwater and terrestrial carbon. Nat. Geosci. 9 (5), 361–365.
  55. Shakhova N., Semiletov I., Chuvilin E. (2019) Understanding the permafrost–hydrate system and associated methane releases in the East Siberian Arctic shelf. Geosciences. 9 (6), 251 doi: 10.3390/geosciences9060251.
  56. Shevchenko V.P., Vinogradova A. A. , Lisitsyn A. P. , Novigatskii A.N., Goryunova N. V. (2009) Atmospheric aerosols as a source of sediment and pollution in the Arctic Ocean. In The system of the Laptev Sea and adjacent Arctic seas. Current state and history of development. Moscow: Lomonosov State University, 150–172.
  57. Tessier A., P.G.C. Campbell. (1987) Partitioning of trace metals in sediments: Relationships with bioavailability Hydrobiologia. 149, 43–52.
  58. Tribovillard N.P. (2020) Arsenic in marine sediments: how robust a redox proxy? Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 550 (5):109745. doi: 10.1016/j.palaeo.2020.109745.
  59. Vetrov A.A., Romankevich E.A. (2004) Carbon Cycle in the Russian Arctic Seas. Berlin: Springer, 331 pp.
  60. Ward J.H. (1993) Hierarchical grouping to optimize an objective function. J. Amer. Statist. Assoc. 58, 236–244.
  61. Yulin A.V., Charitonov M.V., Pavlova E.A., Ivanov V.V. (2018). Seasonal and interannual changes of ice massifs in east Siberian Sea. Arct. Antarct. Res. 64 (3), 229–240.
  62. Zauke G.P., Schmalenbach I. (2005) Heavy metals in zooplankton and decapod crustaceans from the Barents Sea // Scie. Total Environ. 359 (1), 283–294. doi: 10.1016/j.scitotenv.2005.09.002.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Location map of bottom fauna and sediment sampling stations.

Download (291KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Distribution of trace elements in total samples of the bivalve Portlandia arctica from the coastal zone of the Indigirka and Kolyma rivers (stations 5598 and 5619, respectively) and the middle part of the Kolyma transect (station 5615).

Download (96KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Distribution of trace elements in total samples of the crustacean Isopoda saduria spp. from the Indigirsky (a) and Kolyma (b) sections.

Download (166KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Mean Kd values in P. agstis bivalves from the Indigirka River near the Indigirka River discharge cone (station 5598) and in the central part of the Kolyma transect (station 5615).

Download (63KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Variation of elemental relationships in surface sediments of the Indigirsky (a) and Kolyma (b) sections.

Download (135KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dendrogram of relationships between different organisms and their tissues based on cluster analysis. GI - gastrointestinal tract of holothuria and ophiura.

Download (83KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Comparison of element distribution in surface sediments and benthic organisms including whole body of the bivalve P. arctica (a), whole body of the isopod Saduria sibirica (b), body without stomachs/intestines of the ophiura Ophiocten sericeum (c) and the holothuria Myriotrochus rinkii (d).

Download (330KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Comparison of Sorg concentrations in whole bodies and organs of studied benthic organisms with bottom sediments. Whole. - whole body, soft tissues, crayfish. - soft tissues, shells. - shells, body without yolk. - body without stomach, sod. stomach. - stomach contents, body without intestines, body without gut. - body without intestine, sod. intestine. - intestinal contents, bottom sediment. - bottom sediment.

Download (74KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».