Distribution and Variations of Elemental Sulfur in the Upper Part of the Black Sea Anoxic Water Column

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Elemental sulfur and its derivatives polysulfides play a key role in the processes of hydrogen sulfide oxidation in anoxic basins. Having low solubility, elemental sulfur is mainly represented by suspended forms. However, in sulfide waters it forms highly soluble polysulfides. This work is devoted to the study of elemental sulfur and polysulfides in the upper part of the Black Sea anoxic zone in 2017–2019 and 2022 at stations located on the continental shelf off the coast of the Caucasus and Crimea. Sampling, filtering and determination of sulfur were carried out under strictly anaerobic conditions in an argon atmosphere.

The concentration of elemental sulfur (together with polysulfides) increases with depth and with an increase in the content of hydrogen sulfide from 0.01 in the area of the redox interface to 0.67 µmol/kg at a depth of 600 m. The fraction of elemental sulfur in the composition of ZVS is 23 ± 5%. The calculation of the polysulfides concentration in equilibrium with suspended sulfur based on thermodynamic data shows that deeper than 20–25 m of the upper boundary of the anoxic zone, their concentration was higher than ZVS and at a depth of 600 m they differed by about 3 times. The predominance of elemental sulfur over sulfide sulfur in the composition of polysulfides in the anoxic zone at depths of 450 and 600 m can be the reason for the fractionation of its isotopic composition by +2.2‰ relative to the sulfur of dissolved sulfide (-41.0‰ VCDT).

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

A. Dubinin

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: dubinin@ocean.ru
Rússia, Moscow

T. Demidova

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: dubinin@ocean.ru
Rússia, Moscow

O. Ocherednik

Southern Branch of the Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: dubinin@ocean.ru
Rússia, Gelendzhik

L. Semilova

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: dubinin@ocean.ru
Rússia, Moscow

M. Rimskaya-Korsakova

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: dubinin@ocean.ru
Rússia, Moscow

E. Berezhnaya

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: dubinin@ocean.ru
Rússia, Moscow

E. Zologina

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: dubinin@ocean.ru
Rússia, Moscow

Bibliografia

  1. Дубинин А.В., Демидова Т.П., Кременецкий В.В. и др. Определение восстановленных форм серы в анаэробной зоне Черного моря: сравнение методов спектрофотометрии и иодометрии // Океанология. 2012. Т. 52. № 2. С. 200–209.
  2. Дубинин А.В., Демидова Т.П., Римская-Корсакова М.Н. и др. Определение восстановленных форм серы в воде анаэробных бассейнов // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35. № 1. C. 37–51. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-37-51
  3. Дубинин А.В., Демидова Т.П., Семилова Л.С. и др. Элементная сера и ее изотопный состав в воде Черного моря // Доклады РАН. Науки о Земле. 2023. Т. 511. № 1. С. 24–30. https://doi.org/10.31857/S2686739723600480
  4. Дубинин А.В., Дубинина Е.О. Изотопный состав кислорода и водорода вод Черного моря как отражение динамики водных масс // Океанология. 2014. № 6. С. 763–780.
  5. Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода (справочное руководство). М: Наука, 1979. 327 с.
  6. Якушев Е.В., Виноградова Е.Л., Дубинин А.В. и др. Об определении низких концентраций кислорода методом Винклера // Океанология. 2012. № 1. С. 131–138.
  7. Amrani A., Kamyshny A., Lev O. et al. Sulfur Stable Isotope Distribution of Polysulfide Anions in an (NH4)2Sn Aqueous Solution // Inorg. Chem. 2006. V. 45. P. 1427–1429. https://doi.org/10.1021/ic051748r
  8. Avetisyan K., Kamyshny Jr. A. Thermodynamic constants of formation of disulfide anion in aqueous solutions // Geochim. Cosmochim. Acta. 2022. V. 325. P. 205–213. https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.02.03
  9. Avetisyan K., Zweig I., Luther G.W. et al. Kinetics and mechanism of polysulfides and elemental sulfur formation by a reaction between hydrogen sulfide and δ-MnO2 // Geochim. Cosmochim. Acta. 2021. V. 313. P. 21–37. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.08.022
  10. Canfield D.E. Biogeochemistry of sulfur isotopes // In: Valley J.W., Cole D.R. (Eds.). Stable isotope geochemistry. Berlin, Boston: De Gruyter, 2001. P.607-636.
  11. Dubinin A.V., Demidova T.P., Dubinina E.O. et al. Sinking particles in the Black Sea Waters: Vertical Fluxes of Elements and Pyrite to the Bottom, Isotopic Composition of Pyrite Sulfur, and Hydrogen Sulfide Production // Chemical Geology. 2022. P. 606. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.120996
  12. Findlay A.J., Gartman A., MacDonald D. J. et al . Distribution and size fractionation of elemental sulfur in aqueous environments: The Chesapeake Bay and Mid-Atlantic Ridge // Geochim. Cosmochim. Acta. 2014. V. 142. P. 334–348. http://dx.doi.org/10.1016/j.gca.2014.07.032
  13. Gröger J., Franke J., Hamer K. et al. Quantitative Recovery of Elemental Sulfur and Improved Selectivity in a Chromium-Reducible Sulfur Distillation // Geostandards and Geoanalytical Research. 2009. V. 33. № 1. P. 17–27.
  14. Helz G. Activity of zero-valent sulfur in sulfidic natural waters // Geochem Trans. 2014. V. 15. P. 38–58.
  15. Henkel J.V., Dellwig O., Pollehne F. et al. A bacterial isolate from the Black Sea oxidizes sulfide with manganese (IV) oxide // Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 2019. V. 116. № 25. P. 12153–12155.
  16. Jørgensen B.B., Fossing H., Wirsen C.O. et al. Sulfide oxidation in the anoxic Black Sea chemocline // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, Black Sea Oceanography: Results from the 1988 Black Sea Expedition 38, 1991. P. S1083–S1103.
  17. Kaiser D., Konovalov S., Schulz-Bull D.E. et al. Organic matter along longitudinal and vertical gradients in the Black Sea // Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 2017. V. 129. P. 22–31. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2017.09.006
  18. Kamyshny Jr A. Solubility of cyclooctasulfur in pure water and sea water at different temperatures // Geochim. Cosmochim. Acta. 2009. V. 73. P. 6022–6028.
  19. Kamyshny Jr A., Gun J., Rizkov D. et al. Equilibrium distribution of polysulfide ions in aqueous solutions at different temperatures by rapid single-phase derivatization // Environ. Sci. Technol. 2007. V. 41. P. 2395–2400.
  20. Kamyshny Jr A., Zilberbrand M., Elkeltchik I. et al. Speciation of polysulfides and zerovalent sulfur in sulfide-rich water wells in southern and central Israel // Aquatic Geochem. 2008. V. 14. P. 171–192.
  21. Konovalov S.K., Luther G.I.W., Friederich G.E. et al. Lateral injection of oxygen with the Bosporus plume—fingers of oxidizing potential in the Black Sea // Limnology and Oceanography. 2003. V. 48. P. 2369–2376. https://doi.org/10.4319/lo.2003.48.6.2369
  22. Li X., Cutter G.A., Thunell R.C. et al. Particulate sulfur species in the water column of the Cariaco Basin // Geochim. Cosmochim. Acta. 2011. V. 75. P. 148–163. https://doi.org/10.1016/j.gca.2010.09.039
  23. Luther III G.W., Church T.M., Powell D. Sulfur speciation and sulfide oxidation in the water column of the Black Sea // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, Black Sea Oceanography: Results from the 1988 Black Sea Expedition. 1991. V. 38. P. S1121–S1137. https://doi.org/10.1016/S0198-0149(10)80027-5
  24. Marschall E., Jogler M., Henßge U. et al. Large-scale distribution and activity patterns of an extremely low-light-adapted population of green sulfur bacteria in the Black Sea // Environmental Microbiology. 2010. V. 12. N. 5. P. 1348–1362.
  25. Volkov I.I., Neretin L.N. Hydrogen Sulfide in the Black Sea // In: Kostianoy A.G., Kosarev A.N. (Eds.). The Black Sea Environment, The Handbook of Environmental Chemistry. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. P. 309–331. https://doi.org/10.1007/698_5_083
  26. Zerkle A.L., Farquar J., Johnston D.T. et al. Fractionation of multiple sulfur isotopes during phototrophic oxidation of sulfide and elemental sulfur by a green sulfur bacterium // Geochim. Cosmochim. Acta. 2009. V. 73. P. 291–306.
  27. Zopfi J., Ferdelman T.G., Fossing H. Distribution and fate of sulfur intermediates — sulfite, tetrathionate, thiosulfate, and elemental sulfur — in marine sediments // In: Amend J.P. et al (Eds.) Sulfur biogeochemistry—Past and present. Geological Society of America Special Paper. Boulder, Colorado. 2004. V. 379. P. 97–116.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Locations of stations Ash (44.489°N, 37.870°E) and 138.1 (44.543°N, 34.533°E)

Baixar (326KB)
Metadados
3. Fig. 2. Variation of zero-charge sulphur concentrations in the Black Sea water depending on the conditional density at Ash stations in 2017-2019. The dotted line shows the upper boundary of the anaerobic zone (conditional density 16.10 kg/m3)

Baixar (95KB)
Metadados
4. Fig. 3. Variation of ZVS/H2S in the water column of the Black Sea anaerobic zone at Ash stations. The dotted line shows the upper boundary of the anaerobic zone (average 160 m)

Baixar (76KB)
Metadados
5. Fig. 4. ZVS distribution at stations Ash13 (1), Ash15 (2) and Ash16 (3) in the density field (a) and with depth (b). The dotted line shows the redox interface

Baixar (156KB)
Metadados
6. Fig. 5. Variation of ZVS (1) and elemental sulfur (S0) (2) concentrations in the Black Sea water at station 138.1 (7 October 2022) with respect to density (a) and water depth (b). The dotted line shows the redox interface

Baixar (149KB)
Metadados
7. Fig. 6. Frequency histograms of the frequency of occurrence of ZVS concentrations at isopycn 16.2 (a), 16.4 (b), 16.8 (c) and 17.0 (d) in the interval ±0.1 kg/m3

Baixar (161KB)
Metadados
8. Fig. 7. Distribution of ZVS concentrations with increasing hydrogen sulfide with water column depth (up to 600 m) in the anaerobic zone of the Black Sea. The black line shows the empirical relationship [H2S] = 1490.18 × [ZVS]2.75, R2 = 0.894. The blue dashed line is the calculated amount of polysulfides from thermodynamic data (details given in the text). Inset shows the distribution of ZVS as a function of H2S in the upper part of the anaerobic zone

Baixar (164KB)
Metadados
9. Fig. 8. Calculated polysulphide concentrations at 600 m depth in the anaerobic zone of the Black Sea (details of calculations are given in the text)

Baixar (62KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

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».