Μελέτη σύγχρονων βιογενών δομών στην επιφάνεια θαλασσίων ιζημάτων

Abstract

The objective of this thesis is the chemical and physicochemical study of certain modern organosedimentary forms which are located in coastal environments having shallow, calm and warm waters. The creation of the under study forms is attributed to the entrapment, cementation and/or precipitation of sediment particles, a procedure caused by the metabolic activity of microorganisms, especially cyanobacteria. Those organosedimentary forms consist of successive layers 1 – 3 mm thick, easily observed by naked eye. Similar fossil forms are known as stromatolites, while the entrapment, cementation and/or precipitation of inorganic material taking place in modern microbial communities covered with algal mat are referred to the international literature as “recent stromatolites” or “algal mat”. Such organosedimentary forms have been observed in some Greek coastal areas; the Bay of Agios Nikolaos in Anavissos and the beach of Marikes in Rafina, both in the peninsula of Attika, have been selected for study. The present study includes field works, consisting of in situ measurements of certain physicochemical characteristics of the water-column and the sediments’ pore-water (pH, temperature and salinity), as well as liquid and sediment samples collection for chemical determination in the laboratory. The concentration of the marine nutrients, total nitrogen, total phosphorus, organic and inorganic carbon, dissolved / dispersed hydrocarbons and dissolved and particulate forms of Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb and Zn was determined in the sea-water samples. The content of total nitrogen, total phosphorus, organic and inorganic carbon, total carbohydrates pigments and various forms of Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn was also determined in the sediment samples. The geological study of the sediments included mineralogical examination by x-rays defraction, and grain-size analysis. The biological part of the study included observations of natural material through light and electron microscope, as well as through stereoscope, with the intent to detect and recognize the species that constitute the sediment’s biocommunities. Cultivation of natural material using MN nutrient solution in appropriate Erlemayer flasks, as well as simulation of the natural environment in aquarium were also accomplished. The under study organosedimentary forms consist of three discrete layers: the surface one, of green color and topically green/brown, is cohesive with membranous texture and a thickness up to 2 mm. In this layer, extended biocommunities of cyanobacteria, mostly filamentous, are observed. Under the surface layer, an up to 5 cm thick layer is observed, with black colour and sulfur acid smell, which is attributed to the anoxic conditions prevailing there. The bottom layer has brown colour and represents the background of the sediment. According to the results of the chemical determination in the sea-water samples, the nutrients’ concentration in the water column is slightly raised compared to the prevailing one in the open Saronicos Gulf. The under study areas are in the mesotrophic level, while there is no limiting factor in the nutrients’ concentration for the phytoplankton growth. The dissolved metals’ concentration, although increased, is rather favourable than obstructive for the primary production. The variations in the concentration of nutrients and metals in the external waters of the “Agios Nikolaos” cove, affects the respective concnetration in the internal waters, although communication between the waters is hindered by a line of beachrocks, which nearly totally occludes the cove’s muzzle.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη από χημική και φυσικοχημική άποψη ορισμένων σύγχρονων ιζηματογενών δομών βιογενούς προέλευσης που εντοπίζονται σε παράκτια περιβάλλοντα με αβαθή, ήρεμα και θερμά νερά. Ο σχηματισμός των υπό μελέτη δομών αποδίδεται στην παγίδευση, συγκόλληση ή/και καθίζηση ιζημάτων λόγω της μεταβολικής δραστηριότητας μικροοργανισμών, κυρίως κυανοβακτηρίων. Οι εν λόγω ιζηματογενείς δομές αποτελούνται από επάλληλες στρώσεις πάχους 1 –3 mm διακριτές με γυμνό οφθαλμό. Παρόμοιες δομές σε απολιθωμένες καταγραφές είναι γνωστές ως στρωματόλιθοι, ενώ παγίδευση, συγκόλληση ή/και καθίζηση ανόργανου υλικού μέσα σε σύγχρονες μικροβιακές κοινωνίες αναφέρονται στην διεθνή βιβλιογραφία ως “σύγχρονοι στρωματόλιθοι” ή “επίπεδες αναπτύξεις φυκών”. Τέτοιες οργανοιζηματογενείς δομές έχουν εντοπιστεί σε ορισμένα παράκτια περιβάλλοντα του Ελλαδικού χώρου και από αυτές επελέγησαν για μελέτη η περιοχή στο μυχό του όρμου του Αγίου Νικολάου στην Ανάβυσσο και στην παραλία “Μαρίκες” στην περιοχή της Ραφήνας, αμφότερες στα παράλια του νομού Αττικής. Η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει εργασίες πεδίου που απαρτίζονται από επιτόπιες μετρήσεις ορισμένων φυσικοχημικών χαρακτηριστικών της υδατικής στήλης και του νερού των πόρων των ιζημάτων (pH, θερμοκρασία και αλατότητα), καθώς και συλλογή υγρών και στερεών δειγμάτων από το πεδίο για χημικούς προσδιορισμούς στο εργαστήριο. Στην υδατική στήλη προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις σε θρεπτικά συστατικά, ολικό άζωτο, ολικό φωσφόρο, οργανικό και ανόργανο άνθρακα, διαλυμένους υδρογονάνθρακες και διαλυτές και σωματιδιακές μορφές των Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb και Zn. Επίσης προσδιορίστηκε η περιεκτικότητα των θαλασσίων ιζημάτων σε ολικό άζωτο, ολικό φωσφόρο, ολικό οργανικό και ανόργανο άνθρακα, ολικούς υδατάνθρακες, φυτικές χρωστικές και μέταλλα (Al, Cd, Cu, Fe, Mn, Pb και Zn). Η μελέτη των ιζημάτων περιελάμβανε ορυκτολογική εξέταση με περίθλαση ακτίνων X και κοκκομετρική ανάλυση. Βιολογικές παρατηρήσεις έγιναν σε φυσικό δείγμα με χρήση φωτονικού μικροσκοπίου, ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης καθώς και στερεοσκοπίου με σκοπό την αναγνώριση των μικροοργανισμών που συνθέτουν τις βιοκοινωνίες που βρίσκονται στο ίζημα. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκαν καλλιέργειες φυσικού υλικού με θρεπτικό διάλυμα Marine Nutrient (MN) σε κατάλληλες φιάλες υπό ελεγχόμενες συνθήκες, ενώ παράλληλα έγινε προσομοίωση του φυσικού περιβάλλοντος σε ενυδρείο. Στις οργανοιζηματογενείς δομές των υπό μελέτη περιοχών διακρίνονται τρεις στιβάδες: Η επιφανειακή στιβάδα χρώματος πρασίνου και κατά τόπους φαιοπρασίνου έχει πάχος μέχρι 2 mm, μεμβρανώδη υφή και είναι αρκετά συνεκτική. Στη στιβάδα αυτή εντοπίζονται εκτεταμένες αναπτύξεις, νηματοειδών κυρίως, κυανοβακτηρίων. Κάτω από τη στιβάδα αυτή, εκτείνεται στιβάδα μαύρου χρώματος πάχους μέχρι 5 cm με έντονη οσμή υδροθείου, λόγω των ανοξικών συνθηκών που επικρατούν εκεί. Η υποκείμενη της ανοξικής στιβάδα έχει καστανό χρώμα και αντιπροσωπεύει το αδιατάρακτο υπόβαθρο του ιζήματος. Τα αποτελέσματα των χημικών προσδιορισμών στα υδατικά δείγματα έδειξαν ότι οι συγκεντρώσεις των θρεπτικών συστατικών στα ύδατα των υπό μελέτη περιοχών είναι ελαφρά αυξημένες σε σχέση με τις επικρατούσες στον ανοικτό Σαρωνικό κόλπο. Οι περιοχές χαρακτηρίζονται ως μεσοτροφικές, ενώ δεν υπάρχει περιοριστικός παράγοντας στη συγκέντρωση των θρεπτικών για την ανάπτυξη του φυτοπλαγκτού.