XIV
6
Benthic Cycling of Oxygen, Nitrogen and Phosphorus
CHRISTIAN HENSEN, MATTHIAS ZABEL AND HEIDE N. SCHULZ
6.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.2
Distribution of Oxygen, Nitrate and Phosphate in Seawater . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.3
The Role of Oxygen, Nitrogen and Phosphorus in Marine Sediments . . . . . . . . 210
6.3.1
Respiration and Redox Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.3.1.1 Nitrification and Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.3.1.2 Coupling of Oxygen and Nitrate to other Redox Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.3.1.3 Anaerobic Oxidation of Ammonium with Nitrate (Anammox) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.3.1.4 Nitrogen Isotopes in Marine Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.3.2
Input and Redistribution of Phosphate in Marine Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.3.2.1 P-Species and Forms of Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.3.2.2 Authigenic Formation of Phosphorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.3.2.3 Release of Phosphate by Bacterial Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.4
Determination of Consumption Rates and Benthic Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.4.1
Fluxes and Concentration Profiles Determined by In-Situ Devices . . . . . . . . . . . . . . 225
6.4.2
Ex-Situ Pore Water Data from Deep-Sea Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.4.3
Determination of Denitrification Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.5
Significance and Quantitative Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.5.1
Estimation of Global Rates and Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.5.2
Variation in Different Marine Environments: Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.6
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.7
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
7
The Reactivity of Iron
RALF R. HAESE
7.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.2
Pathways of Iron Input to Marine Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 241
7.2.1
Fluvial Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.2.2
Aeolian Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.3
Iron as a Limiting Nutrient for Primary Productivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7.4
The Early Diagenesis of Iron in Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.4.1
Dissimilatory Iron Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.4.2
Solid Phase Ferric Iron and its Bioavailability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.4.2.1 Properties of Iron Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.4.2.2 Bioavailability of Iron Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.4.2.3 Bioavailability of Sheet Silicate Bound Ferric Iron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4.3
Iron Reactivity towards S, O 2 , Mn, NO 3
-
, P, HCO 3
-
, and Si-Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4.3.1 Iron Reduction by HS
-
and Ligands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4.3.2 Iron Oxidation by O 2 , NO 3
-
, and Mn
4+
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.4.3.3 Iron-Bound Phosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.4.3.4 The Formation of Siderite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.4.3.5 The Formation of Iron Bearing Aluminosilicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.4.4
Iron and Manganese Redox Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.4.5
Discussion: The Importance of Fe- and Mn-Reactivity in Various Environments . . . . . 260
6
Benthic Cycling of Oxygen, Nitrogen and Phosphorus
CHRISTIAN HENSEN, MATTHIAS ZABEL AND HEIDE N. SCHULZ
6.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.2
Distribution of Oxygen, Nitrate and Phosphate in Seawater . . . . . . . . . . . . . . . 208
6.3
The Role of Oxygen, Nitrogen and Phosphorus in Marine Sediments . . . . . . . . 210
6.3.1
Respiration and Redox Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.3.1.1 Nitrification and Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.3.1.2 Coupling of Oxygen and Nitrate to other Redox Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.3.1.3 Anaerobic Oxidation of Ammonium with Nitrate (Anammox) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.3.1.4 Nitrogen Isotopes in Marine Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.3.2
Input and Redistribution of Phosphate in Marine Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.3.2.1 P-Species and Forms of Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.3.2.2 Authigenic Formation of Phosphorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.3.2.3 Release of Phosphate by Bacterial Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.4
Determination of Consumption Rates and Benthic Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.4.1
Fluxes and Concentration Profiles Determined by In-Situ Devices . . . . . . . . . . . . . . 225
6.4.2
Ex-Situ Pore Water Data from Deep-Sea Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.4.3
Determination of Denitrification Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6.5
Significance and Quantitative Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.5.1
Estimation of Global Rates and Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.5.2
Variation in Different Marine Environments: Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.6
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.7
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
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The Reactivity of Iron
RALF R. HAESE
7.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.2
Pathways of Iron Input to Marine Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 241
7.2.1
Fluvial Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.2.2
Aeolian Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.3
Iron as a Limiting Nutrient for Primary Productivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7.4
The Early Diagenesis of Iron in Sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.4.1
Dissimilatory Iron Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.4.2
Solid Phase Ferric Iron and its Bioavailability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.4.2.1 Properties of Iron Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.4.2.2 Bioavailability of Iron Oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.4.2.3 Bioavailability of Sheet Silicate Bound Ferric Iron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4.3
Iron Reactivity towards S, O 2 , Mn, NO 3
-
, P, HCO 3
-
, and Si-Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4.3.1 Iron Reduction by HS
-
and Ligands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4.3.2 Iron Oxidation by O 2 , NO 3
-
, and Mn
4+
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.4.3.3 Iron-Bound Phosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.4.3.4 The Formation of Siderite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.4.3.5 The Formation of Iron Bearing Aluminosilicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.4.4
Iron and Manganese Redox Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.4.5
Discussion: The Importance of Fe- and Mn-Reactivity in Various Environments . . . . . 260