Distribution of Dissolved Nitrogen Compounds in the Water Column of a Meromictic Subarctic Lake

In order to better understand the biogeochemical cycle of nitrogen in meromictic lakes, which can serve as a model for past aquatic environments, we measured dissolved concentrations of nitrate, nitrite, ammonium, and organic nitrogen in the deep (39 m maximal depth) subarctic Lake Svetloe (NW Russia). The lake is a rare type of freshwater meromictic water body with high concentrations of methane, ferrous iron, and manganese and low concentrations of sulfates and sulfides in the monimolimnion. In the oligotrophic mixolimnion, the concentration of mineral forms of nitrogen decreased in summer compared to winter, likely due to a phytoplankton bloom. The decomposition of the bulk of the organic matter occurs under microaerophilic/anaerobic conditions of the chemocline and is accompanied by the accumulation of nitrogen in the form of N-NH4 in the monimolimnion. We revealed a strong relationship between methane and nitrogen cycles in the chemocline and monimolimnion horizons. The nitrate concentrations in Lake Svetloe varied from 9 to 13 μM throughout the water column. This fact is rare for meromictic lakes, where nitrate concentrations up to 13 µM are found in the monimolimnion zone down to the bottom layers. We hypothesize, in accord with available data for other stratified lakes that under conditions of high concentrations of manganese and ammonium at the boundary of redox conditions and below, anaerobic nitrification with the formation of nitrate occurs. Overall, most of the organic matter in Lake Svetloe undergoes biodegradation essentially under microaerophilic/anaerobic conditions of the chemocline and the monimolimnion. Consequently, the manifestation of the biogeochemical nitrogen cycle is expressed in these horizons in the most vivid and complex relationship with other cycles of elements

Hydrological and Hydrochemical Characteristics of the Iron-Manganese Meromictic Freshwater Lake Svetloe (Arkhangelsk Region)

Меромиктические водоемы – уникальная модель для изучения анаэробных процессов деструкции органического вещества, одним из которых (наряду с метаногенезом) является сульфатредукция. В результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий в монимолимнионе этих водоемов накапливается сероводород, а в зоне хемоклина наблюдаются резкие вертикальные градиенты физико-химических условий и как следствие – развитие разнообразных микробных сообществ. В настоящей работе рассмотрены некоторые основные характеристики водной толщи меромиктического пресноводного озера Светлое, расположенного на севере Архангельской области, для которого достоверно установлен железо-марганцевый тип меромиксии. Наличие устойчивой стратификации с выделением характерных для меромиктических водоемов слоев нашло отражение в распределении изучаемых параметров. Так, в переходном слое (хемоклин) начало анаэробной зоны сопровождается резким увеличением величины электропроводности и появлением в воде растворенного сероводорода. В нижележащих горизонтах, где сохраняются достигнутые максимальные значения электропроводности, происходит накопление биогенных элементов, железа, марганца и сероводорода (в среднем 30 мкг/л); отмечено заметное снижение содержания растворенного сульфата, обусловленное его потреблением сульфатредуцирующими бактериями при генерации сероводорода. Численность сульфатредуцирующих бактерий в водной толще за все время наблюдений колебалась в интервале от 10 до 106 кл/мл, с максимумом содержания в зоне хемоклина, где также отмечены максимальные количества сероводорода (до 130 мкг/л)Meromictic lakes are a unique model for the study of the anaerobic processes of organic matter degradation, such as methanogenesis and sulphate reduction. As a result of activity of sulfate-reducing bacteria hydrogen sulfide accumulates in monimolimnion of these lakes, whereas chemocline is the area of sharp vertical gradients of physical and chemical conditions and as a consequence is the ecological niche for different planktonic microorganisms. This paper describes some characteristics of meromictic freshwater Lake Svetloe, located in the north of the Arkhangelsk region, for which iron-manganese type of meromixia was defined. The distribution of the studied parameters corresponds to the distribution of the specific for meromictic lakes water layers formed in the presence of stable stratification. In the transition layer (chemocline) a sharp decrease in the oxygen content (almost to the analytical zero) is accompanied by an equally sharp increase in the value of the water conductivity and the emergence of dissolved hydrogen sulfide in the water. In the anaerobic zone the conductivity values remain high and accumulation of nutrients, iron, manganese, and hydrogen sulphide (average 30 mg/l) occurs. Besides, the significant decrease in the content of dissolved sulphate caused by its consumption by sulfate-reducing bacteria was noted in this layer. The number of sulphate-reducing bacteria in the water column during the time of observation varied in the range of 10 – 106 cells/ml with the highest content in the chemocline zone, where the maximum amounts of hydrogen sulphide (up to 130 mg/l) were also foun

Hydrological and Hydrochemical Characteristics of the Iron-Manganese Meromictic Freshwater Lake Svetloe (Arkhangelsk Region)

Меромиктические водоемы – уникальная модель для изучения анаэробных процессов деструкции органического вещества, одним из которых (наряду с метаногенезом) является сульфатредукция. В результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий в монимолимнионе этих водоемов накапливается сероводород, а в зоне хемоклина наблюдаются резкие вертикальные градиенты физико-химических условий и как следствие – развитие разнообразных микробных сообществ. В настоящей работе рассмотрены некоторые основные характеристики водной толщи меромиктического пресноводного озера Светлое, расположенного на севере Архангельской области, для которого достоверно установлен железо-марганцевый тип меромиксии. Наличие устойчивой стратификации с выделением характерных для меромиктических водоемов слоев нашло отражение в распределении изучаемых параметров. Так, в переходном слое (хемоклин) начало анаэробной зоны сопровождается резким увеличением величины электропроводности и появлением в воде растворенного сероводорода. В нижележащих горизонтах, где сохраняются достигнутые максимальные значения электропроводности, происходит накопление биогенных элементов, железа, марганца и сероводорода (в среднем 30 мкг/л); отмечено заметное снижение содержания растворенного сульфата, обусловленное его потреблением сульфатредуцирующими бактериями при генерации сероводорода. Численность сульфатредуцирующих бактерий в водной толще за все время наблюдений колебалась в интервале от 10 до 106 кл/мл, с максимумом содержания в зоне хемоклина, где также отмечены максимальные количества сероводорода (до 130 мкг/л)Meromictic lakes are a unique model for the study of the anaerobic processes of organic matter degradation, such as methanogenesis and sulphate reduction. As a result of activity of sulfate-reducing bacteria hydrogen sulfide accumulates in monimolimnion of these lakes, whereas chemocline is the area of sharp vertical gradients of physical and chemical conditions and as a consequence is the ecological niche for different planktonic microorganisms. This paper describes some characteristics of meromictic freshwater Lake Svetloe, located in the north of the Arkhangelsk region, for which iron-manganese type of meromixia was defined. The distribution of the studied parameters corresponds to the distribution of the specific for meromictic lakes water layers formed in the presence of stable stratification. In the transition layer (chemocline) a sharp decrease in the oxygen content (almost to the analytical zero) is accompanied by an equally sharp increase in the value of the water conductivity and the emergence of dissolved hydrogen sulfide in the water. In the anaerobic zone the conductivity values remain high and accumulation of nutrients, iron, manganese, and hydrogen sulphide (average 30 mg/l) occurs. Besides, the significant decrease in the content of dissolved sulphate caused by its consumption by sulfate-reducing bacteria was noted in this layer. The number of sulphate-reducing bacteria in the water column during the time of observation varied in the range of 10 – 106 cells/ml with the highest content in the chemocline zone, where the maximum amounts of hydrogen sulphide (up to 130 mg/l) were also foun