Граница раздела осадок – вода - Sediment–water interface

Поток насыщенной кислородом воды в отложения и из них опосредуется биотурбацией или перемешиванием отложений, например, посредством строительства червячных труб.
Часть серии о
Отложения
Канал-СтеллартонFm-CoalburnPit.JPG
По происхождению
  • Космогенный
  • Водородный
По текстуре
По составу
По процессу
По структуре
Отложения почвы
Морские отложения
Биогенные отложения
Осадочная экология
Осадочный углерод
Осадочная порода
Связанный

В океанографии и лимнологии , то интерфейс осадка водой граница между слоем осадка и вышележащей толщи воды. Этот термин обычно относится к тонкому слою воды (глубиной примерно 1 см, хотя и может изменяться) на самой поверхности отложений на морском дне. В океане, устьях и озерах этот слой взаимодействует с водой над ним посредством физического потока и химических реакций, опосредованных микроорганизмами, животными и растениями, живущими на дне водоема. Топография этой границы раздела часто является динамической, поскольку на нее влияют физические процессы (например, токи, вызывающие рябь или повторное взвешивание) и биологические процессы (например, биотурбация, образующая насыпи или траншеи). Физические, биологические и химические процессы происходят на границе раздела отложений и воды в результате ряда градиентов, таких как градиенты химического потенциала, градиенты поровой воды и градиенты кислорода.

Определение

Расположение верхней части границы раздела отложения и воды в толще воды определяется как разрыв вертикального градиента некоторого растворенного компонента, такого как кислород, где концентрация переходит от более высокой концентрации в хорошо перемешанной воде выше к более низкой. концентрация на поверхности осадка. Это может быть от менее 1 мм до нескольких мм водяного столба.

Физические процессы

Волны и приливные течения могут изменить топографию границы раздела отложений и воды, образуя песчаные волны, подобные показанным здесь, которые обнажаются во время отлива.
Биотурбация перемешивает отложения и изменяет топографию границы раздела отложения и воды, как показано на покадровой фотосъемке луговых червей, движущихся через отложения.
Круговорот серы - отличный пример круговорота питательных веществ в озере, который происходит посредством биологически опосредованных процессов, а также химических окислительно-восстановительных реакций.

Физическое движение воды и отложений изменяет толщину и топографию границы раздела отложений и воды. Повторное взвешивание отложений волнами, приливами или другими возмущающими силами (например, человеческими ногами на пляже) позволяет поровой воде донных отложений и другим растворенным компонентам диффундировать из отложений и смешиваться с водой выше. Для повторного суспендирования движение воды должно быть достаточно мощным, чтобы иметь сильное критическое напряжение сдвига, превышающее напряжение сдвига в слое. Например, очень плотный слой может быть ресуспендирован только при высоком критическом напряжении сдвига, в то время как «ворсистый слой» из очень рыхлых частиц может быть повторно суспендирован при низком критическом напряжении сдвига. В зависимости от типа озера каждый год может происходить ряд событий перемешивания, которые могут повлиять на поверхность раздела отложений. Амиктические озера постоянно стратифицированы, точно так же меромиктические озера не смешиваются. Полимиктовые озера подвергаются частому перемешиванию, а димиктические озера - два раза в год. Этот тип перемешивания в озере - это физический процесс, который может быть вызван наложением ветров, разницей температур или сдвигающим напряжением в озере.

Физические процессы, которые влияют на границу раздела донные отложения и вода, включают, но не ограничиваются:

Биологические процессы

Взаимодействие между отложениями и организмами, живущими в отложениях, также может изменять потоки кислорода и других растворенных компонентов в и из границы раздела отложений и воды. Такие животные, как черви, моллюски и иглокожие, могут усиливать ресуспендирование и перемешивание посредством передвижения и строительства нор. Микроорганизмы, такие как бентосные водоросли, могут стабилизировать отложения и поддерживать поверхность раздела между осадком и водой в более стабильном состоянии, создавая маты . Стабилизирующий эффект этих микроводорослей частично обусловлен липкостью экзополимерных веществ (EPS) или биохимического «клея», который они выделяют.

Биологические процессы, которые влияют на границу раздела донные отложения и вода, включают, но не ограничиваются:

Химические процессы

Существует несколько химических процессов, которые происходят как абиотически (химические реакции), так и биотически (реакции, опосредованные микробами или ферментами). Например, окислительно-восстановительные ( окислительно-восстановительные ) реакции могут происходить просто через реакции элементов или окислительно-восстановительные бактерии. Преобразования и обмен элементов между отложениями и водой происходят посредством абиотических химических процессов и микробиологических химических процессов.

Абиотический

Химические реакции могут происходить на границе раздела донных отложений и воды абиотически. Примеры этого могут включать оксигенацию озерных отложений в зависимости от содержания свободного железа в отложениях (т.е. образование пирита в отложениях), а также доступность серы через цикл серы. Осаждение часто является последним процессом очистки, в ходе которого следовые химические вещества и элементы выводятся из водной толщи. Осадки на этой границе раздела более пористые и могут удерживать больший объем поровой воды в интерстициальных участках из-за высокого содержания органического вещества и отсутствия осаждения. Следовательно, химические соединения в воде могут подвергаться здесь двум основным процессам: 1) диффузии и 2) биологическому перемешиванию. Химическая диффузия в интерстициальные сайты и из них происходит в первую очередь за счет случайного молекулярного движения. Хотя диффузия является основным способом взаимодействия химических веществ с отложениями, существует ряд процессов физического перемешивания, которые облегчают этот процесс (см. Раздел «Физические процессы»). Химические потоки зависят от нескольких градиентов, таких как pH и химический потенциал. В зависимости от параметров распределения конкретного химического вещества, химическое вещество может оставаться во взвешенном состоянии в толще воды, разделяться на биоту, разделяться на взвешенные твердые частицы или разделяться на отложения. Кроме того, первый закон диффузии Фика гласит, что скорость диффузии является функцией расстояния; со временем профиль концентрации становится линейным. Доступность различных загрязнителей озера определяется тем, какие реакции происходят в пресноводной системе.

Ниже перечислены химические реакции на границе раздела отложения и воды:

  • Потребление кислорода - O 2 -> H 2 O
  • Денитрификация - NO 3 -> N 2
  • Восстановление марганца - Mn IV -> Mn II
  • Восстановление железа - Fe III -> Fe II
  • Сульфатредукция - SO 4 -> HS
  • Образование метана - CH 2 O -> CO 2 , CH 4

Биологически опосредованный

Озера

При переходе от вышележащих вод к границе раздела донных отложений и воды количество бактерий увеличивается на 3-5 порядков. Хотя бактерии присутствуют на границе раздела по всему бассейну озера, их распределение и функции меняются в зависимости от субстрата, растительности и солнечного света. Например, популяция бактерий на границе раздела отложения и воды в растительной литоральной зоне имеет тенденцию быть больше, чем популяция более глубокой профундальной зоны , из-за более высокого содержания органического вещества в первой. И функциональным артефактом густой растительности на границе раздела может быть большее количество Azotobacter , рода бактерий, которые могут связывать N 2 с ионным аммонием (NH 4 + ).

Несмотря на то, что морфометрия бассейна играет роль в распределении бактерий в озере, популяции и функции бактерий в первую очередь определяются доступностью определенных окислителей / акцепторов электронов ( например , O 2 , NO 3 - , SO 4 - , CO 2 ). Эти компоненты, диффундирующие из вышележащей воды или нижележащего осадка, могут использоваться и / или образовываться в ходе бактериального метаболизма различными организмами или высвобождаться обратно в толщу воды. Крутые окислительно-восстановительные градиенты, присутствующие на границе раздела донных отложений и воды или внутри них, позволяют выживать множеству аэробных и анаэробных организмов и имеют место различные окислительно-восстановительные преобразования. Вот лишь некоторые из опосредованных микробами окислительно-восстановительных реакций, которые могут происходить на границе раздела отложения и воды.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Santschi, Питер; Höhener, Патрик; Бенуа, Габури; Бринк, Мэрилин Бухгольц-тен (1990). «Химические процессы на границе раздела наносов и воды». Морская химия . 30 : 269–315. DOI : 10.1016 / 0304-4203 (90) 90076-о .
  2. ^ a b c d Сански, Питер; Höhener, Патрик; Бенуа, Габури; Бухгольц-тен Бринк, Мэрилин (01.01.1990). «Химические процессы на границе раздела наносов и воды» . Морская химия . 30 : 269–315. DOI : 10.1016 / 0304-4203 (90) 90076-O . ISSN  0304-4203 .
  3. ^ 1946-, Сармьенто, Хорхе Луи (2006). Биогеохимическая динамика океана . Грубер, Николас, 1968-. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 9780691017075. OCLC  60651167 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Гундерсен, Йенс К .; Йоргенсен, Бо Баркер (июнь 1990 г.). «Микроструктура диффузных пограничных слоев и поглощение кислорода морским дном». Природа . 345 (6276): 604–607. Bibcode : 1990Natur.345..604G . DOI : 10.1038 / 345604a0 . ISSN  1476-4687 .
  5. ^ Филлипс, Мэтью С .; Соло-Габриэле, Елена М .; Ренирс, Адрианус JHM; Ван, Джон Д .; Kiger, Russell T .; Абдель-Мотталеб, Ноха (2011). «Поровый перенос энтерококков из пляжных отложений» . Бюллетень загрязнения морской среды . 62 (11): 2293–2298. DOI : 10.1016 / j.marpolbul.2011.08.049 . ISSN  0025-326X . PMC  3202074 . PMID  21945015 .
  6. ^ Mehta, Ashish J .; Парфениад, Эммануил (1982). «Ресуспензия отложенных связных отложений». Береговая инженерия 1982 : 1569–1588. DOI : 10.1061 / 9780872623736.095 . ISBN 9780872623736.
  7. ^ a b "Книжные источники" , Википедия , получено 15 мая 2020 г.
  8. ^ Gingras, Мюррей К .; Пембертон, С. Джордж; Смит, Майкл (2015). «Биотурбация: исправляя отложения в лучшую или худшую сторону» (PDF) . Schlumberger . Обзор нефтяных месторождений. С. 46–58.
  9. ^ Толхерст, TJ; Gust, G .; Патерсон, Д.М. (2002). «Влияние внеклеточного полимерного вещества (EPS) на стабильность когезионного осадка». Динамика тонких отложений в морской среде . Труды по морским наукам. 5 . С. 409–425. DOI : 10.1016 / s1568-2692 (02) 80030-4 . ISBN 9780444511362.
  10. ^ "НАСА / ADS" . ui.adsabs.harvard.edu . Проверено 15 мая 2020 .
  11. ^ Гарднер, Уэйн, Ли, Г. Фред (1965). «Оксигенация озерных отложений» (PDF) . Международный журнал загрязнения воздуха и воды . 9 : 553–564.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ "Библиотека моделей NetLogo: твердое распространение" . ccl.northwestern.edu . Проверено 15 мая 2020 .
  13. ^ Тибодо, Луи Дж .; Джермано, Джозеф (2012), Мейерс, Роберт А. (ред.), «Граница раздела осадка и воды, граница раздела осадка и воды, химический поток» , Энциклопедия науки и технологий в области устойчивого развития , Springer, стр. 9128–9145, doi : 10.1007 / 978-1-4419-0851-3_645 , ISBN 978-1-4419-0851-3, дата обращения 15.05.2020
  14. ^ a b Шварценбах, Рене П .; Gschwend, Philip M .; Имбоден, Дитер М. (12.10.2016). Органическая химия окружающей среды . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-1-118-76704-7.
  15. ^ «Лимнология» . 2001. DOI : 10.1016 / c2009-0-02112-6 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  16. ^ Hoostal, Мэтью Дж .; Буза, Хуан Л. (1 февраля 2008 г.). «Модулирующая роль растворенного органического вещества в пространственных моделях микробного метаболизма в отложениях озера Эри» . Микробная экология . 55 (2): 358–368. DOI : 10.1007 / s00248-007-9281-7 . ISSN  1432-184X .