DOI: https://doi.org/10.5194/bg-23-1987-2026
تاريخ النشر: 2026-03-17
المؤلف: Pratirupa Bardhan وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية البحرية والساحلية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الديناميات البيوجيوكيميائية لأكسيد النيتروز (N₂O) في بحر البلطيق، وهو غاز دفيئة مهم له قدرة على الاحترار العالمي تقارب 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون. شملت الدراسة قياس تركيزات N₂O والنظائر المستقرة للنيتروجين (δ¹⁵N) والأكسجين (δ¹⁸O) في سبع محطات خلال رحلة بحرية في مايو/يونيو 2019. تشير النتائج إلى أن تراكم N₂O في منطقة الأكسجين يعود أساسًا إلى أكسدة الأمونيا. في المناطق التي تم الكشف فيها عن كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، يشير الانخفاض الملحوظ في مستويات N₂O جنبًا إلى جنب مع الزيادات في δ¹⁵N وδ¹⁸O وتفضيل الموقع (SP) إلى استهلاك نشط لـ N₂O.
علاوة على ذلك، تشير القيم العالية لـ SP في المياه تحت الأكسجين، حيث كانت مستويات H₂S منخفضة أو غير قابلة للكشف، إلى وجود مسارات نزع النيتروجين غير التقليدية التي قد تكون متوسطة بواسطة الفطريات أو العمليات غير الحيوية. كما حددت الدراسة مصدرًا رسوبيًا لـ N₂O، مما أدى إلى فصل توقيعات δ¹⁵N وδ¹⁸O. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على أن الأحداث العابرة للأكسجة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على دورة النيتروجين عند واجهة الأكسجين-اللاهوائي، حتى على مدى فترات زمنية قصيرة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية أكسيد النيتروز (N₂O) كغاز تتبع ذي صلة بالمناخ، مع التأكيد على دوره كغاز دفيئة قوي له قدرة على الاحترار العالمي تقارب 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون على مدى قرن. يُعزى الزيادة في تركيزات N₂O في الغلاف الجوي على مدى القرن الماضي إلى الأنشطة البشرية، مع تحديد المحيط كمصدر طبيعي كبير، خاصة في المناطق الساحلية. على الرغم من أهميته، لا يزال الفهم لآليات إنتاج N₂O في البيئات البحرية، وخاصة في البحار الساحلية والمصبات، محدودًا.
تناقش الورقة مسارات مختلفة لإنتاج N₂O في الأنظمة البحرية، ولا سيما النترجة في المياه المؤكسجة ونزع النيتروجين في الظروف تحت الأكسجين. يشير المؤلفون إلى أن التوقيعات النظيرية المستقرة للنيتروجين والأكسجين لـ N₂O تعمل كعلامات قيمة لتحديد مصادره ومصارفه، مما يوفر رؤى حول العمليات المعنية في إنتاجه. أظهرت الدراسات السابقة مساهمات متفاوتة من النترجة ونزع النيتروجين في إنتاج N₂O في أنظمة مائية مختلفة، مع تحديد بحر البلطيق كمختبر طبيعي لدراسة الكيمياء الحيوية لـ N₂O. تختتم المقدمة بتحديد أسئلة البحث المحددة التي تم تناولها في الدراسة، مع التركيز على المسارات السائدة لإنتاج N₂O وتفسير البيانات النظيرية المستقرة في سياق منطقة الانتقال بين الأكسجين واللاهوائي في بحر البلطيق.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام طرق النظائر المستقرة لتحليل نظائر N₂O الكلية والنظائر الفرعية في قسم علوم البيئة، جامعة بازل. تم تطهير عينات N₂O باستخدام الهيليوم كغاز حامل من خلال نظام تطهير وفخ مخصص، تلاه تحليل عبر قياس الكتلة لنسبة النظائر بتدفق مستمر (IRMS) باستخدام جهاز Thermo Delta V. تم تحويل النسب النظيرية لـ m/z 45/44 و46/44 و31/30 إلى δ¹⁵N-N₂O (مرجعية إلى الهواء)، وδ¹⁸O-N₂O (مرجعية إلى مياه المحيط القياسية في فيينا، VSMOW)، وδ¹⁵Nₐ وδ¹⁵Nᵦ-N₂O المحددة لموقع معين، باستخدام ثلاثة خلطات نظيرية من N₂O في الهواء الاصطناعي.
قدمت الخلطات النظيرية قيم δ محددة: CA06261 (δ¹⁵N = -35.74 ‰، δ¹⁵Nₐ = -22.21 ‰، δ¹⁵Nᵦ = -49.28 ‰، δ¹⁸O = 26.94 ‰)، Fl.53504 (δ¹⁵N = 48.09 ‰، δ¹⁵Nₐ = 1.71 ‰، δ¹⁵Nᵦ = 94.44 ‰، δ¹⁸O = 36.10 ‰)، وCA08214 (δ¹⁵N = 6.84 ‰، δ¹⁵Nₐ = 17.11 ‰، δ¹⁵Nᵦ = -3.43 ‰، δ¹⁸O = 35.39 ‰). تم تأكيد دقة القياسات مع انحرافات معيارية قدرها ± 0.39 ‰ لـ δ¹⁵N الكلي-N₂O، و± 0.56 ‰ لـ δ¹⁸O-N₂O، و± 1.29% لـ SP-N₂O، مما يشير إلى أداء تحليلي موثوق.
النتائج
في حوض غوتلاند الشرقي، أظهرت الطبقة السطحية (0-50 م) ظروفًا مؤكسجة جيدًا مع تركيزات O₂ تتجاوز 300 ميكرومول، مما يشير إلى توازن قريب مع الغلاف الجوي. تم ملاحظة منطقة الأكسجين بين 50 إلى 70 م، مع انتقال إلى ظروف تحت الأكسجين تحت هذه الطبقة، حيث انخفضت مستويات O₂ إلى أقل من 20 ميكرومول. من الجدير بالذكر أنه تم الكشف عن طبقة ثانوية من المياه المؤكسجة على عمق 120 م في المحطة 25. كانت تركيزات كبريتيد الهيدروجين (H₂S) عمومًا منخفضة، مع أعلى مستوى مسجل في المحطة 25 (4.7 ميكرومول)، بينما كانت مستويات النترات والنتريت أيضًا منخفضة في المياه السطحية، حيث بلغت ذروتها عند أعماق 70-75 م.
وجدت الدراسة أن تركيزات أكسيد النيتروز (N₂O) تختلف بشكل كبير مع العمق، حيث أظهرت ذروة في منطقة الأكسجين وانخفاضًا إلى أقل من 1 نانومول في المياه تحت الأكسجين في عدة محطات. أشارت التركيبة النظيرية لـ N₂O إلى غنى معتدل في قيم δ¹⁵N الكلية عبر معظم المحطات، مع فصل ملحوظ بين δ¹⁸O وδ¹⁵N في المحطتين 28 و32. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت المحطة 32 قيم δ¹⁵N الكلية منخفضة جدًا في الأعماق تحت الأكسجين. تشير هذه النتائج إلى عمليات بيوجيوكيميائية معقدة تحدث في المنطقة تحت الأكسجين، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في الآثار على دورة النيتروجين في هذه المنطقة.
المناقشة
في حوض غوتلاند الشرقي في بحر البلطيق، كشفت الدراسة التي أجريت من مايو إلى يونيو 2019 عن رؤى مهمة حول ديناميات أكسيد النيتروز (N₂O) في كل من المياه المؤكسجة وتحت الأكسجين. كانت تشبعات N₂O السطحية قريبة من التوازن مع الغلاف الجوي، مما يشير إلى عدم وجود مصدر أو مصرف صافي في هذه الطبقات. ومع ذلك، تحت السطح، زادت تركيزات N₂O مع العمق، متزامنة مع ارتفاع مستويات النترات (NO₃⁻) وانخفاض الأكسجين المذاب، مما يشير إلى إنتاج في الموقع بشكل أساسي من خلال النترجة. أشارت التركيبة النظيرية لـ N₂O إلى أن النترجة كانت مصدرًا محتملًا، كما يتضح من قيم δ¹⁵N وδ¹⁸O، التي كانت أقرب إلى مستويات الغلاف الجوي في المياه السطحية وأظهرت أنماطًا مميزة في منطقة الأكسجين.
في المياه تحت الأكسجين، حددت الدراسة مجموعتين من المحطات بناءً على وجود كبريتيد الهيدروجين (H₂S). في المحطات التي لا تحتوي على H₂S قابل للكشف، لوحظ تراكم N₂O، ربما بسبب عمليات نزع النيتروجين غير المكتملة. على العكس، في المحطات التي تحتوي على H₂S، لوحظ استهلاك سريع لـ N₂O، مما يشير إلى نزع نيتروجين نشط. أشارت التوقيعات النظيرية في هذه المياه إلى تفاعلات معقدة بين عمليات النترجة ونزع النيتروجين، مع أدلة على حدوث إنتاج واستهلاك لـ N₂O في نفس الوقت. تؤكد النتائج على أهمية العمليات الميكروبية عند واجهة الرواسب والمياه وتبرز الحاجة إلى مزيد من التحقيق في التباين المكاني لديناميات N₂O في بحر البلطيق.
DOI: https://doi.org/10.5194/bg-23-1987-2026
Publication Date: 2026-03-17
Author(s): Pratirupa Bardhan et al.
Primary Topic: Marine and coastal ecosystems
Overview
This research investigates the biogeochemical dynamics of nitrous oxide (N₂O) in the Baltic Sea, a significant greenhouse gas with a global warming potential approximately 300 times that of carbon dioxide. The study involved measuring N₂O concentrations and stable isotopes of nitrogen (δ¹⁵N) and oxygen (δ¹⁸O) at seven stations during a cruise in May/June 2019. The findings indicate that N₂O accumulation in the oxycline is primarily due to ammonia oxidation. In areas with detectable hydrogen sulfide (H₂S), a marked decrease in N₂O levels alongside increases in δ¹⁵N, δ¹⁸O, and site preference (SP) suggests active N₂O consumption.
Moreover, high SP values in suboxic waters, where H₂S levels were low or undetectable, imply the involvement of non-canonical denitrification pathways potentially mediated by fungi or abiotic processes. The study also identified a sedimentary source of N₂O, leading to a decoupling of δ¹⁵N and δ¹⁸O signatures. Overall, the results highlight that transient oxygenation events can significantly influence nitrogen cycling at the oxic-anoxic interface, even over short time scales.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of nitrous oxide (N₂O) as a climate-relevant trace gas, emphasizing its role as a potent greenhouse gas with a global warming potential approximately 300 times that of carbon dioxide over a century. The increase in atmospheric N₂O concentrations over the past century is attributed to anthropogenic activities, with the ocean identified as a substantial natural source, particularly in coastal regions. Despite its importance, the understanding of N₂O production mechanisms in marine environments, especially in coastal seas and estuaries, remains limited.
The paper discusses various pathways of N₂O production in marine systems, notably nitrification in oxygenated waters and denitrification in suboxic conditions. The authors note that the stable nitrogen and oxygen isotopic signatures of N₂O serve as valuable tracers for identifying its sources and sinks, providing insights into the processes involved in its production. Previous studies have shown varying contributions of nitrification and denitrification to N₂O production in different aquatic systems, with the Baltic Sea identified as a natural laboratory for studying N₂O biogeochemistry. The introduction concludes by outlining the specific research questions addressed in the study, focusing on the dominant pathways of N₂O production and the interpretation of stable isotopic data in the context of the Baltic Sea’s oxic-anoxic transition zone.
Methods
In this study, stable isotope methods were employed to analyze bulk N₂O isotopes and isotopomers at the Department of Environmental Sciences, University of Basel. The N₂O samples were purged using helium as a carrier gas through a customized purge-and-trap system, followed by analysis via continuous-flow isotope ratio mass spectrometry (IRMS) using a Thermo Delta V instrument. The isotopic ratios of m/z 45/44, 46/44, and 31/30 were converted to δ¹⁵N-N₂O (referenced to air), δ¹⁸O-N₂O (referenced to Vienna Standard Mean Ocean Water, VSMOW), and site-specific δ¹⁵Nₐ and δ¹⁵Nᵦ-N₂O, utilizing three isotopic mixtures of N₂O in synthetic air.
The isotopic mixtures provided specific δ values: CA06261 (δ¹⁵N = -35.74 ‰, δ¹⁵Nₐ = -22.21 ‰, δ¹⁵Nᵦ = -49.28 ‰, δ¹⁸O = 26.94 ‰), Fl.53504 (δ¹⁵N = 48.09 ‰, δ¹⁵Nₐ = 1.71 ‰, δ¹⁵Nᵦ = 94.44 ‰, δ¹⁸O = 36.10 ‰), and CA08214 (δ¹⁵N = 6.84 ‰, δ¹⁵Nₐ = 17.11 ‰, δ¹⁵Nᵦ = -3.43 ‰, δ¹⁸O = 35.39 ‰). The precision of the measurements was confirmed with standard deviations of ± 0.39 ‰ for δ¹⁵N bulk-N₂O, ± 0.56 ‰ for δ¹⁸O-N₂O, and ± 1.29% for SP-N₂O, indicating reliable analytical performance.
Results
In the Eastern Gotland Basin, the surface layer (0-50 m) exhibited well-oxygenated conditions with O₂ concentrations exceeding 300 µM, indicating near equilibrium with the atmosphere. The oxycline was observed between 50 to 70 m, transitioning to suboxic conditions below this layer, where O₂ levels fell below 20 µM. Notably, a secondary layer of oxygenated water was detected at 120 m depth at Station 25. Hydrogen sulfide (H₂S) concentrations were generally low, with the highest recorded at Station 25 (4.7 µM), while nitrate and nitrite levels were also low in surface waters, peaking at depths of 70-75 m.
The study found that nitrous oxide (N₂O) concentrations varied significantly with depth, showing a peak in the oxycline and a decline to below 1 nM in suboxic waters at several stations. The isotopic composition of N₂O indicated a moderate enrichment in δ¹⁵N bulk values across most stations, with notable decoupling between δ¹⁸O and δ¹⁵N at Stations 28 and 32. Additionally, Station 32 exhibited highly depleted δ¹⁵N bulk values in suboxic depths. These findings suggest complex biogeochemical processes occurring in the suboxic zone, warranting further investigation into the implications for nitrogen cycling in this region.
Discussion
In the Eastern Gotland Basin of the Baltic Sea, the study conducted from May to June 2019 revealed significant insights into the dynamics of nitrous oxide (N₂O) in both oxic and suboxic waters. Surface N₂O saturations were near equilibrium with the atmosphere, indicating no net source or sink in these layers. However, beneath the surface, N₂O concentrations increased with depth, correlating with rising nitrate (NO₃⁻) levels and declining dissolved oxygen, suggesting in-situ production primarily through nitrification. The isotopic composition of N₂O indicated that nitrification was a likely source, as evidenced by the δ¹⁵N and δ¹⁸O values, which were closer to atmospheric levels in surface waters and showed distinct patterns in the oxycline.
In suboxic waters, the study identified two groups of stations based on the presence of hydrogen sulfide (H₂S). At stations without detectable H₂S, N₂O accumulation was observed, potentially due to incomplete denitrification processes. Conversely, at stations with H₂S, rapid consumption of N₂O was noted, indicating active denitrification. The isotopic signatures in these waters suggested complex interactions between nitrification and denitrification processes, with evidence of both N₂O production and consumption occurring simultaneously. The findings underscore the importance of microbial processes at the sediment-water interface and highlight the need for further investigation into the spatial variability of N₂O dynamics in the Baltic Sea.