ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤHΣ ΟΞΥΓΟΝΩΣΗΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΓΕΩΧΗΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΘΑΛΑΣΣΙΟΥ ΙΖΗΜΑΤΟΣ: ΜΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ Τσικοπούλου Ε., Παπαγεωργίου Ν., Φοδελιανάκης Σ., Λαδουκάκης Ε., Καρακάσης Ι. Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Κρήτης, fellow_irene@yahoo.gr, nafsika@biology.uoc.gr, sfodel@edu.biology.uoc.gr, ladoukakis@biology.uoc.gr, karakassis@biology.uoc.gr Περίληψη Οι επιπτώσεις του οργανικού εμπλουτισμού στα θαλάσσια βενθικά συστήματα μελετήθηκαν σε συνθήκες μεσοκόσμου. Ιζήματα από τρεις περιοχές με διαφορετική κοκκομετρική σύσταση επωάστηκαν σε δεξαμενές υπό διαφορετικές συνθήκες αερισμού και εμπλουτισμού με οργανικό υλικό. Σε αυτά μετρήθηκε το οξειδοαναγωγικό δυναμικό (Eh), η συγκέντρωση του υδρόθειου (H 2S), το ph και το οργανικό υλικό. Αν και τα ιζήματα από τις τρείς περιοχές αρχικά παρουσίασαν διαφορετική αντίδραση στον οργανικό εμπλουτισμό, σταδιακά οι τιμές των γεωχημικών τους μεταβλητών συνέκλιναν σε παρόμοια επίπεδα. Συγκεκριμένα, το Εh μειώθηκε με την πάροδο του χρόνου σε όλες τις δεξαμενές, ενώ η συγκέντρωση του H 2S στα ιζήματα εμφάνισε μια αύξηση αντίστροφη από αυτή του Eh σε όλες τις περιοχές και σε όλες τις συνθήκες αερισμού και εμπλουτισμού με οργανικό υλικό. Το γεγονός αυτό δείχνει ότι σε καταστάσεις υποξίας ή ανοξίας (αρνητικό Eh) λόγω εμπλουτισμού με οργανικό υλικό ο αερόβιος μεταβολισμός αντικαθίσταται σταδιακά από τον αναερόβιο και συγκεκριμένα την αναγωγή των ανόργανων ενώσεων του θείου που έχει ως συνέπεια την αύξηση της συγκέντρωσης του H 2S στο ίζημα. Λέξεις κλειδιά: μεσόκοσμος, ίζημα, οξειδοαναγωγικό δυναμικό, θείο, οργανικό υλικό. THE IMPACTS OF AERATION AND ORGANIC ENRICHMENT IN THE BIOGEOCHEMISTRY OF MARINE SEDIMENTS: AN EXPERINMENTAL APPROACH Tsikopoulou I., Papafeorgiou N., Fodelianakis S., Ladoukakis E., Karakassis I. Department of Biology, University of Crete, fellow_irene@yahoo.gr, nafsika@biology.uoc.gr, sfodel@edu.biology.uoc.gr, ladoukakis@biology.uoc.gr, karakassis@biology.uoc.gr Abstract The impacts of organic enrichment in marine benthic sediments were investigated under controlled conditions in the laboratory. Redox potential (Eh), ph, total sulfides and organic matter were measured every four days at three different types of sediment collected from different sites. Each one of the sediment samples was incubated in four separate tanks at different aeration supply and organic enrichment conditions (+air/+organic enrichment, +/-, -/- and -/+). Although the sediments had initially different reactions to organic enrichment, the values of the geochemical variables gradually converged. Specifically, redox potential decreased in every sediment sample, while total sulfides increased. It was concluded that aerobic metabolism was replaced by microbial sulfate reduction in the sediment under conditions of high organic matter sedimentation and the progressive formation of hypoxic/anoxic conditions. Keywords: mesocosm, sediment, redox potential, sulfide, organic matter. 1. Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον για τις επιπτώσεις του οργανικού εμπλουτισμού στο βένθος (Pearson & Rosenberg, 1978; Karakassis et al. 2000;
Hargrave et al.,2008). Οι διαφοροποιήσεις στην εισροή οργανικού υλικού σε μια περιοχή, λόγω φυσικών ή τεχνητών αιτιών, προκαλεί αλλαγές σε ένα σύνολο φυσικών, χημικών και βιολογικών παραγόντων που τελικά επιδρούν στην σύνθεση της πανίδας της περιοχής (Karakassis et al., 2000). Οι αλλαγές αυτές στα βιογεωχημικά χαρακτηριστικά του ιζήματος αποκλίνουν ανάλογα με τον τύπο του ιζήματος (Karakassis et al., 2000; Kalantzi & Karakassis, 2006). Στόχος της μελέτης αυτής είναι η καταγραφή της επίδρασης του οργανικού εμπλουτισμού στη λειτουργικότητα των ιζημάτων μέσω των φυσικοχημικών τους χαρακτηριστικών σε πειράματα μεσοκόσμου. 2. Υλικά και Μέθοδοι Συλλέχθηκαν 36 δείγματα θαλάσσιου ιζήματος από τρεις περιοχές του Ηρακλείου (Φόδελε, Παντάνασσα, Γιόφυρος) διαφορετικής κοκκομετρικής σύστασης. Τα δείγματα από κάθε περιοχή χωρίστηκαν σε τέσσερις ομάδες και παρέμειναν σε δεξαμενές για είκοσι τέσσερις μέρες υπό τις εξής συνθήκες:1) χωρίς αερισμό με προσθήκη οργανικού υλικού, 2) με αερισμό και προσθήκη οργανικού υλικού, 3) με αερισμό χωρίς προσθήκη οργανικού υλικού και 4) χωρίς αερισμό και χωρίς οργανικό εμπλουτισμό. Στις περιπτώσεις του οργανικού εμπλουτισμού στο ίζημα κάθε δύο μέρες προσθέτονταν συγκεκριμένη ποσότητα ξηρής ψαροτροφής. Κάθε τέσσερις μέρες προσδιοριζόταν το οξειδοαναγωγικό δυναμικό (Εh), το ph, η συγκέντρωση του O 2 στο νερό και η συγκέντρωση του H 2 S και του οργανικού υλικού στο ίζημα. Καθόλη τη διάρκεια του πειράματος επικρατούσαν στο χώρο επώασης στείρες συνθήκες ώστε να αποφευχθεί η επιμόλυνση των ιζημάτων με μικροοργανισμούς που δεν ανήκουν σε αυτά και πιθανώς επηρέαζαν τα αποτελέσματα του πειράματος. Το Eh, το ph, η συγκέντρωση του O 2 στο νερό και η συγκέντρωση του H 2 S προσδιορίζονταν επιτόπου στο ίζημα με τις μεθόδους που περιγράφονται από τους Wildish et al., 1999 με τη χρήση ηλεκτροδίων. Το οργανικό υλικό μετρήθηκε με την μέθοδο απώλειας μάζας λόγω καύσης (LOI) σύμφωνα με τους Loh et al., 2008. Τέλος, η στατιστική ανάλυση των δεδομένων έγινε με τη μέθοδο ανάλυσης της ομοιότητας ANOSIM και με τη μέθοδο της μη μετρικής πολυδιάστατης κλιμάκωσης MDS (Clarke & Warwick, 1994). Ο δείκτης ομοιότητας των δεδομένων με βάση τις γεωχημικές μεταβλητές που χρησιμοποιήθηκε ήταν εκείνος των ευκλείδειων αποστάσεων. Για τις παραπάνω αναλύσεις χρησιμοποιήθηκε το στατιστικό πακέτο PRIMER v6 (Clarke & Gorley, 2006). 3. Αποτελέσματα Οι τιμές των γεωχημικών παραμέτρων που μελετήθηκαν σε κάθε τύπο ιζήματος και συνθηκών επώασης έτειναν με την πάροδο του χρόνου να εξισωθούν. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στις παραμέτρους που σχετίζονται με το διαγένεση των ιζημάτων, δηλαδή στο Eh και στη συγκέντρωση H 2 S και οργανικού υλικού (Εικ. 1, Εικ. 2 και Εικ. 3). Το δυναμικό οξειδοαναγωγής μειωνόταν σε όλα τα ιζήματα ανεξάρτητα από τις συνθήκες παραμονής τους (Εικ. 1). Βέβαια, ο ρυθμός μείωσής του ήταν διαφορετικός ανάλογα με την περιοχή από την οποία προήλθε το δείγμα. Στα αμμώδη ιζήματα από την περιοχή του Φόδελε ο ρυθμός μείωσης του οξειδοαναγωγικού δυναμικού ήταν ταχύτερος από ότι στις άλλες περιοχές με πιο λεπτόκοκκα ιζήματα (Εικ. 1). Αντίθετη αντίδραση από το οξειδοαναγωγικό δυναμικό παρουσίασε η συγκέντρωση του H 2 S. Συγκεκριμένα, σε κάθε τύπο ιζήματος η συγκέντρωση του H 2 S αυξήθηκε σε όλες τις συνθήκες παραμονής (Εικ. 2). Τέλος, σχετικά με τη συγκέντρωση του
οργανικού υλικού στο ίζημα δεν φαίνεται να υπήρχε ένα σαφές πρότυπο μεταβολής του στη διάρκεια του πειράματος (Εικ. 3). Ακόμη και στις περιπτώσεις προσθήκης οργανικού υλικού στο ίζημα η συγκέντρωσή του διατηρούνταν σχεδόν σταθερή με ελάχιστες εξαιρέσεις. Εικ.1: Μεταβολή του οξειδοαναγωγικού δυναμικού των ιζημάτων στις διαφορετικές συνθήκες αερισμού και οργανικού εμπλουτισμού.
Εικ. 2: Μεταβολή της συγκέντρωσης του H 2S των ιζημάτων στις διαφορετικές συνθήκες αερισμού και οργανικού εμπλουτισμού. Εικ. 3: Μεταβολή της συγκέντρωσης του οργανικού υλικού των ιζημάτων στις διαφορετικές συνθήκες αερισμού και οργανικού εμπλουτισμού.
Σε επόμενο στάδιο η διευθέτηση των ιζημάτων με τη μέθοδο MDS διαχώρισε τα ιζήματα σε δύο ομάδες (Εικ. 4). Η πρώτη περιελάμβανε τα ιζήματα που παρέμειναν σε συνθήκες με αερισμό και η δεύτερη τα ιζήματα χωρίς αερισμό. Από την ανάλυση ομοιότητας (ΑΝΟSIM) των ιζημάτων με παράγοντα ομαδοποίησης τις συνθήκες παραμονής προέκυψε ότι η παραπάνω ομαδοποίηση ήταν στατιστικά σημαντική (Global R=0,233; p<0,1%). Στην ανάλυση περιελήφθησαν όλες οι γεωχημικές παράμετροι που μετρήθηκαν. Εικ. 4: Γραφική απεικόνιση διευθέτησης MDS των ιζημάτων ανάλογα με γεωχημικές παραμέτρους. 1: χωρίς αερισμό με προσθήκη οργανικού υλικού, 2: με αερισμό και προσθήκη οργανικού υλικού, 3: με αερισμό αλλά χωρίς προσθήκη οργανικού υλικού, 4: χωρίς αερισμό και χωρίς προσθήκη οργανικού υλικού. 4. Συζήτηση Η επίδραση της προσθήκης οργανικού υλικού στις γεωχημικές διεργασίες των ιζημάτων είναι εμφανής σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη. Το δυναμικό οξειδοαναγωγής, η συγκέντρωση του υδρόθειου και η συγκέντρωση του βιοδιαθέσιμου οργανικού υλικού είναι ενδεικτικές παράμετροι για την μεταβολή της γεωχημείας των ιζημάτων (Hargrave et al., 1997). Η συνεχής μείωση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού που παρατηρήθηκε στα ιζήματα που μελετήθηκαν υποδηλώνει τη σταδιακή επικράτηση αναγωγικών συνθηκών σε αυτά. Η μετατροπή αυτή σύμφωνα με τους Karakassis et al.(2000) και Hargrave et al.(2008) φαίνεται να είναι ταχύτερη στα ιζήματα που προστέθηκε οργανικό υλικό. Στην παρούσα μελέτη τα αποτελέσματα
που αφορούν στην συγκέντρωση του βιοδιαθέσιμου οργανικού υλικού στο ίζημα συμπίπτουν με την θεωρία αυτή, καθώς η σχεδόν σταθερή συγκέντρωση του οργανικού υλικού στο ίζημα υποδηλώνει ότι αυτό δεν προλαβαίνει να συσσωρευτεί στο ίζημα αλλά καταναλώνεται αμέσως από τους μικροοργανισμούς που αναπτύσσονται στο ίζημα. Η αύξηση αυτή της βακτηριακής πανίδας του ιζήματος οδηγεί στη γρήγορη κατανάλωση του οξυγόνου του ιζήματος και στη σταδιακή αντικατάσταση του αερόβιου μεταβολισμού από τον αναερόβιο. Στον αναερόβιο μεταβολισμό οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν θειικά ιόντα (SO 4-2 ) και τα ανάγουν σε υδρόθειο (Hargrave et al., 2008). Επομένως, η αύξηση της συγκέντρωσης του υδρόθειου στα ιζήματα που μελετήθηκαν είναι συνέπεια της μείωσης του οξειδοαναγωγικού δυναμικού και της επακόλουθης επικράτησης του αναερόβιου μεταβολισμού σε αυτά. Παρόμοια αποτελέσματα στη χημεία των θαλάσσιων ιζημάτων έχουν αναφερθεί και σε περιπτώσεις μελετών στο πεδίο κάτω από ιχθυοκλωβούς υδατοκαλλιεργειών όπου συσσωρεύεται οργανικό υλικό (Karakassis et al., 1998; Karakassis et al., 2000; Kalantzi & Karakassis, 2006; Papageorgiou et al., 2010). Τέλος, θα πρέπει να επισημανθεί ότι ενώ η προσθήκη οργανικού υλικού είναι η κινητήριος δύναμη για τη μεταβολή του αερόβιου μεταβολισμού των ιζημάτων σε αναερόβιο, η παροχή ή όχι αερισμού είναι ο κυριότερος παράγοντας που ομαδοποιεί τα ιζήματα, γεγονός που αντικατοπτρίζει την σημασία του οξυγόνου στη λειτουργικότητα των ιζημάτων και στο είδος των μικροοργανισμών που θα αναπτυχθούν σε αυτά. 5. Ευχαριστίες Ευχαριστούμε θερμά τη Χριστίνα Παυλούδη, μεταπτυχιακή φοιτήτρια Περιβαλλοντικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης και την Ολυμπία Μανώλη, προπτυχιακή φοιτήτρια του τμήματος Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης για τη βοήθεια που μας παρείχαν κατά την πειραματική διαδικασία καθώς και τον Ιάσωνα Πετρούτσο, μεταπτυχιακό φοιτητή Περιβαλλοντικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης για τη βοήθειά του στην αρχική συλλογή των δειγμάτων. 6. Βιβλιογραφικές Αναφορές Clarke K.R. & Gorley R.N., 2006. PRIMER v6: User Manual/Tutorial. PRIMER-E Ltd. Clarke K.R. & Warwick R.M., 1994. Change in marine communities: An approach to statistical analysis and interpretation. Natural Environmental Research Council, Plymouth, U.K. Hargrave B.T., Holmer M. & Newcombe C.P., 2008. Towards a classification of organic enrichment in marine sediments based on biogeochemical indicators. Marine Pollution Bulletin, 56: 810-824. Hargrave B.T., Phillips G.A., Doucette L.I., White M.J., Milligan T.G., Wildish D.J. & Cranston R.E, 1997. Assessing benthic impacts of organic enrichment from marine aquaculture. Water, Air and Soil pollution, 99: 641-650. Kalantzi I. & Karakassis I., 2006. Benthic impacts of fish farming: Meta-analysis of community and geochemical data. Marine Pollution Bulletin, 52: 484-493. Karakassis I., Tsapakis M. & Hatziyanni E., 1998. Seasonal variability in sediment profiles beneath fish farm cages in the Mediterranean. Marine Ecology Progress Series, 162: 243-252. Karakassis I., Tsapakis M., Hatziyanni E., Papadopoulou K. N. & Plaiti W., 2000. Impact of cage farming of fish on the seabed in three Mediterranean coastal areas. Journal of Marine Science, 57: 1462-1471. Loh P.S., Miller A.E, Reeves A.D., Harvey S.M. & Overnell J., 2008. Assessing the biodegradibility of terrestrially-derived organic matter in Scottish sea loch sediments. Hydrology and Earth System Sciences, 12: 811-823. Papageorgiou N., Kalantzi I. & Karakassis I., 2010. Effects of fish farming on the biological and geochemical properties of muddy and sandy sediments in the Mediterranean Sea. Marine Environmental Research, 69: 326-336. Pearson T.H. & Rosenberg R., 1978. Macrobenthic succession in relation to organic enrichment and pollution of the environment. Oceanography and Marine Biology an Annual Review, 16: 229-311.
Wildish D.J., Akaki H.M., Hamilton N. & Hargrave B.T., 1999. A recommended method for monitoring sediments to detect organic enrichment from mariculture in the bay of Fundy. Canadian Technical Report of Fisheries and Aquatic Sciences, No.2286.