primary production aviability and uptake of nutrients and photoadaptation of phytoplankton in the black sea the sea of Marmara and the Easternmediterannean

Abstract

ÖZET KARADENİZ, MARMARA DENİZİ VE DOĞU AKDENİZ' DE BİRİNCİL ÜRETİM, BESİN TUZU KAYNAKLARI VE KULLANIMI, FİTOPLANKTONLARIN IŞIK ADAPTASYONU Mehmet Kadir YAYLA Yüksek Lisans Tezi, Kimyasal Oşinografi Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Ayşen YILMAZ Temmuz 1999, 128 sayfa Bu çalışma farklı ekosistemlere sahip Karadeniz, Marmara Denizi ve Doğu Akdeniz'de ilk beslenme basamağına ait ve özellikle birincil üretimi yakından ilgilendiren biyokimyasal mekanizmaların anlaşılmasına yöneliktir. Bu amaçla, üst su kolonunda fiziksel, optik, kimyasal ve biyolojik parametreler ölçülmüş ve besin tuzlarının taşınım ve birincil üretkenlerce (fitoplankton) kullanımı ile fitoplanktonlann ışık adaptasyon mekanizmaları incelenmiştir. Bu çalışma 1996-1998 yıllan arasında gerçekleştirilmiştir. Karadeniz, Marmara Denizi ve Doğu Akdeniz'de ışıklı tabakanın ortalama kalınlığı sırasıyla 29.6 m, 16.3 m ve 76.8 m dir. Yüzey ışığının pratikte % l'e indiği derinlik olarak kabul edilen ışıklı tabakanın kalınlığı, Karadeniz'de kıyıdan açığa doğru, Akdeniz'de de Rodos siklonu merkezinden kenarlarına doğru artmaktadır. Karadeniz ve Marmara Denizi çok üretken ancak doğu Akdeniz üretkenlik bakımından son derece fakir bir denizdir. Bu farklılık, bu denizlerimizin besin tuzu kapasitelerinin ve taşınım mekanizmalarının farklılığından kaynaklanmaktadır. Karadeniz'de ortalama klorofil-a konsantrasyonu ışıklı tabaka için 14.2 mg m`2 hesaplanmıştır ve kıyı bölgeleri ile açık deniz arasında konsantrasyon farkı azdır. Ancak yüzey konsantrasyonlarına bakıldığında açık denizden kıyıya doğru konsantrasyon önemli düzeyde artmaktadır. Işıklı tabakada ortalama klorofil-a konsantrasyonu Marmara denizinde 26.8 mg m`2, doğu Akdeniz'de ise 3.2 mg m`2 olarak belirlenmiştir. Bu üç farklı deniz ortamı için ortalama birincil üretim hızı klorofil-a konsantrasyonları ile aynı eğilimi göstermekte ve enyüksek üretkenlik 1521 mgC m'2 gün'1 olarak Marmara denizinde gözlenirken Karadeniz ve kuzeydoğu Akdeniz'de sırasıyla 487 mgC m'2 gün`1 ve 194 mgC m*2 gün`1 olarak hesaplanmıştır. Karadeniz'de yapılan birincil üretkenlik ölçümleri, en yüksek üretim hızlarının yaz ve sonbaharın ilk aylarında (Temmuz 1997 ve Eylül 1998) gözlendiğini göstermiştir. Su kolonunda toplam üretkenlik ilkbahar dönemine eşit veya bu değerleri aşmaktadır. Bu da son yıllarda Karadeniz'de gözlenen yaz dönemi fitoplankton ivpatlamalarının varlığını desteklemektedir. Diğer yandan 1998 ilkbahar örnekleme döneminin Karadeniz'de yaygın olarak gözlenen ilkbahar fitoplankton patlama dönemi ile çakışmamış olduğu tahmin edilmektedir. Karadeniz ve Marmara Denizi'nde birincil üretimin büyük bir kısmı ışıklı tabakanın yüzeye yakın kısımlarında gerçekleşmektedir. Buna karşılık klorofıl-a ve floresans maksimumları genel olark ışıklı tabakanın tabanında (% 1 ışık derinliğinde) yer almaktadır. Doğu Akdeniz'de ise % 1 ışık derinliğinde klorofil-a maksimumuna neden olan fitoplanktonlar su kolonundaki toplam üretiminin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Karadeniz'de kıyısal iki istasyonda ayrıca ışıklı tabakanın alt sınırının çok daha altında Rhîzosolenia türlerinin yoğunlaşması ile ikinci bir klorofil-a maksimumu gözlenmiştir. Bu maksimumlar nutriklin tabakasının üzerinde yer almaktadır ve 14C deneyleri su kolonunda düşey hareketler yapabilen Rhîzosolenia türü fitoplanktonlann fotosentez yapabilme kapasitelerinin uygun ışık şartlarında kayda değer olduğunu göstermiştir. Yapılan deneyler Karadeniz'de birincil üretkenliğin kıyısal alanlarda fosfor tarafından, açık derin denizde ise azot tarafından sınırlandığını göstermiştir. Açık denizde silikata önemli düzeyde talep olduğu da bu deneylerle anlaşılmıştır. Marmara Denizi'nde ise azot birincil Üretkenliği sınırlayan besin elementi olarak belirlenmiştir. Karadeniz ve Marmara Denizi'nde birincil üretimde çoğunlukla büyük ölçekli (>10 um) fitoplanktonlar rol oynamaktadır. Doğu Akdeniz'de ise üretimin büyük bir kısmı küçük ölçekli (<5 um) fitoplanktonlar tarafından gerçekleştirilmektedir. Büyük ölçekli fitoplanktonlann toplam üretime katkısı o denizin besin tuzu kapasitesinin artması ile, derin denizden kıyıya doğru ve yüzeyden derine doğru artmaktadır.

ABSTRACT PRIMARY PRODUCTION, AVAILABILITY AND UPTAKE OF NUTRIENTS AND PHOTO ADAPTATION OF PHYTOPLANKTON IN THE BLACK SEA, THE SEA OF MARMARA AND THE EASTERN MEDITERRANEAN YAYLA, Mehmet Kadir M.S. in Chemical Oceanography Supervisor: Prof. Dr. Ayşen YILMAZ July 1999, 128 pages This study focuses on the key biochemical processes related to the lowest trophic level, especially research on primary productivity in the three different marine ecosystems, the Black Sea, the Sea of Marmara and the Northeastern Mediterranean. The physical, optical, biological, and chemical parameters in the upper water column, involving the nutrient transportation, the uptake mechanisms of nutrients by primary producers and light adaptation of the phytoplankton populations have been determined in order to understand the key biochemical processes. This study was conducted in the 1996-1998 period. The average thickness of the euphotic zone have been found as 29.6 m, 16.3 m and 76.8 m for the southern Black Sea, the Sea of Marmara and the NE Mediterranean respectively. The depth of the euphotic zone (practically the 1% light depth) increased from nearshore to deep stations in the Black Sea, and from the Rhodes Gyre to its peripherial in the NE Mediterranean. The Black Sea and the Sea of Marmara are highly productive and the NE Mediterranean is quite oligotrophic. The origin of these differences on primary productivity is based on the availability of the nutrients and on different nutrient transportation mechanisms. Average depth-integrated chlorophyll-a content has been found to be 14.2 mg m'2 in southern Black Sea. Surface Chl-a increases from deep to nearshore stations. The average integrated Chl-a value is 26.8 mg m`2 in the Sea of Marmara, and 3.2 mg m`2 in the NE Mediterranean. Average primary productivity rates estimated for these different marine environments have given the similar trend with Chl-a concentration; highest rates were determined in the Sea of Marmara (1521 mgC in2 d1), 487 mgC in2 d'1 and 194 mgC in2 d`1 wereestimated for the southern Black Sea and NE Mediterranean respectively. Primary production measurements in the Black Sea reveal high production rates in the summer and in the early autumn periods (July 1997 and September 1998). The rates of total primary production in the water column was equal or exceeding the rates recorded in spring period, in consistency with the suggestion of the occurrence of summer blooms in the Black Sea. On the other hand, sampling period in the spring 1998 might not match with the bloom period of the Black Sea. Bulk of the primary production is accomplished at the upper few meters of the Black Sea and the Sea of Marmara, although Chl-a and fluorescence maxima are located at around 1% light depth. In the northeastern Mediterranean, phytoplankton in the vicinity of the deep chlorophyll maxima at around 1% light depth have the largest share in the total primary production of the water column. Secondary chlorophyll-a maxima caused by vertically migrating Rhizosolenia species have been encountered far below the bottom limit of the euphotic zone at two nearshore stations in the Black Sea. Such maxima were located in the vicinity of the main nutricline and,4C experiments showed that the Rhizosolenia populations had significant photosynthetic capacity. Primary production in the nearshore waters in the Black Sea appeared to be phosphorus limited, whereas the bioassays carried out in the deep regions indicated nitrogen limitation. Silicate has been found to be in significant demand in the deep regions of the Black Sea. The nutrient enrichment bioassays strongly support the hypothesis that primary production in the Sea of Marmara is nitrogen limited. The bulk of the primary production is accomplished by large phytoplankton (>10 um) in the Black Sea and in the Sea of Marmara, whereas small phytoplankton (<5um) have a higher share in the NE Mediterranean. The share of large plankton in the total primary production increases with nutrient availability, deep to nearshore regions, and from surface to deep. m