Nitrogen cycling in the Black Sea

Abstract

Bu çalışma, 1998 - 2001 yıllarında Karadeniz ışıklı tabakasında azota bağlı birincil üretimin mekanizmasını ve azotlu besin tuzlarının dönüşümünü 15N izotop izleme tekniği ile inceleyen, ekosistemin işleyişine yönelik bir araştırmadır. Çözünmüş anorganik azotun fitoplankton tarafından kullanım hızının dikey, günlük ve mevsimsel değişimi ile N03`, NO2` ve NH4+ ün birincil üretimdeki göreceli önemi tartışılmıştır. Bunlara ek olarak, NO3` ve NH44` kullanım kinetiği, geri oluşum ve yükseltgenme hızlan çalışılmıştır. N2 gazının yeni azot olarak potensiyel önemi nedeniyle kısıtlı sayıda N2-bağlanma deneyleri de gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalarla birlikte, organik maddenin su kolonu boyunca biyo-kimyasal dönüşümü askıda katı organik maddenin kararlı C ve N izotop oranlarındaki değişimle izlenmiştir. Daha büyük parçacıklar, sediman-kapanı ve yüzey sediman örnekleri de, kısıtlı sayıda olmakla birlikte, azot izotop oranı açısından incelenmiştir. Azota bağlı üretimin Eylül-Ekim 1999'da en yüksek, Mayıs 2001 örneklemesinde ise en düşük seviyede olduğu görülmüştür. Işıklı tabakadaki azota bağlı birincil üretim ortalama hızlan Nisan ve Eylül 1998, Eylül-Ekim 1999 ve Mayıs 2001 döneminde sırasıyla 6.69, 7.38, 9.19 and 2.25 mmol m` gün` olarak hesaplanmıştır. Azot üretimi büyük oranda amoyağa bağlı olarak gerçekleşse de özellikle Eylül-Ekim 1999 döneminde nitratın üretime önemli katkısı olduğu gözlenmiştir. Ne yıllık olarak hesaplanan 'f-oranı' (0.46) ne de 0.22 (Mayıs 2001) ile 0.43 (Eylül-Ekim 1999) arasında değişen ortalama değerler yeni azot girdileri tarafından karşılanabilir görünmektedir. Aradaki farkın ışıklı tabakanın hemen altında oluşan nitrifikasyonun fotosentetik olarak aktif tabakaya NO3` sağlamasıyla kapatıldığı düşünülmektedir. Bu nedenle, Karadeniz'de 'f-oram' kavramının uygulanması dikkat gerektirmektedir. Yüzey sularının çok düşük miktarda çözünmüş anorganik azot içermesi nedeniyle azotlu besin tuzlarının ortamda kalış süresi genellikle bir günden azdır. Fitoplanktonun hem N03` hem NH4+ kullanım eğilimi yüksektir. Ne var ki ortamda düşük konsantrasyonlarda NH4+ bulunması bile NO3` kullanımım baskılayabilmektedir. Işıklı tabakadaki düşük mikrobiyal geri oluşum hızı NH4+ kullanımını ve yükseltgenmesini karşılamaktan uzaktır. Askıda katı organik maddenin C ve N izotop oranlan Eylül-Ekim 1999 ve Mayıs 2001 yıllan için incelenmiştir. Işıklı tabakada izotop oranlan plankton için gözlenen aralıktadır ve mevsimsel değişim azdır. Oksiklinden ve oksijence fakir tabakanın üst derinliklerinden örneklenen askıda katı organik maddenin izotop oranlan, yüksek oranda bozunmuş, lipit fraksiyonlarının baskın olduğu, bozunmadan arta kalan direçli organik maddenin varlığını göstermektedir. Oksijence fakir tabakanın alt derinliklerinden ve oksijensiz tabakaya geçiş aralığından örneklenen askıda katı organik maddenin, kemo-oto- ve -hetero-trofik aktivite sonucu yerinde üretilmiş organik maddeden oluştuğu görülmektedir. Geçiş tabakasındaki bakteriyel üretimin kıyıya yakın bölgelerde daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, büyük olasılıkla, oksijenli ve nitratça zengin Akdeniz sularının İstanbul Boğazı yoluyla Karadeniz'in ara tabakasına girmesi sonucu sudaki indirgenme - yükseltgenme koşullarının değişmesi nedeniyle meydana gelmektedir. Anahtar kelimeler: Kara Deniz, azot, karbon, izotop, birincil üretim, askıda katı organik madde

This is a process - oriented study investigating the mechanisms of nitrogen-based primary production and nitrogenous nutrient transformations in the euphotic zone of the Black Sea by using 15N-tracer technique during 1998 - 2001. Vertical, diurnal and seasonal variations in uptake rates of dissolved inorganic nitrogen (DIN) by phytoplankton and the relative importance of NO3`, NO2` and NEU`1` on nitrogen productivity have been discussed. In addition, N03~ and NH4+ uptake kinetics and NIÎ4+ remineralisation and oxidation rates have been studied. As potential new nitrogen input, limited number of N2 fixation assays have also been conducted. Bio chemical transformations of organic matter through the water column were then traced by the variations in the ratios of stable C and N isotopes in suspended particulate organic matter (SPOM). Limited number of larger particulate, sediment- trap and surface sediment samples has also been investigated in terms of their nitrogen isotopic ratio. Nitrogen productivity was the highest in September-October 1999 and the lowest in May 2001. Cruise means of nitrogen production rates in the euphotic zone were 6.69, 7.38, 9.19 and 2.25 mmol m^d`1 for April and September 1998, September-October 1999 and May 2001, respectively. Nitrogen productivity based mainly on ammonium although nitrate has contributed substantially, especially in September-October 1999. Neither the estimated annual f-ratio of 0.46 nor the cruise means ranging from 0.22 in May 2001 to 0.43 in September-October 1999 seem to compensate for the new nitrogen inputs. The gap is probably compensated by the active nitrification at the base of the euphotic zone, which may supply NO3` to the photosynthetically active layer. Application of f-ratio in the Black Sea therefore, needs special consideration. Since the surface waters had very low DIN content, the turnover times of DIN species were generally less than a day. Phytoplankton had high affinity for both NC^- and NH4+ while NEU* availability could suppress NO3` uptake even at low concentrations. Low microbial remineralisation rates calculated for the euphotic zone were far from compensating for NH4+ uptake or oxidation rates. C and N isotopic compositions of SPOM were investigated in September-October 1999 and May 2001. In the euphotic zone, the isotopic ratios were in the planktonic range with low seasonal variations. Isotopic compositions of SPOM in the oxycline and in the upper suboxic zone indicate the presence of highly degraded, refractory organic matter, dominated by lipid fractions. Majority of SPOM pool in the lower suboxic zone and suboxic / anoxic interface was composed of in-situ produced organic matter as a result of chemo-auto and -heterotrophic activity. The bacterial production in this zone seems to be more intense in shelf-break regions probably because of altered redox conditions due to the intrusion of oxygenated and nitrate- rich Mediterranean water via Bosphorus. Keywords: Black Sea, nitrogen, carbon, isotope, primary production, suspended particulate organic matter.