Marine benthic hypoxia and its consequences for sediment-water exchanges and early diagenesis Thesis submitted by Audrey PLANTE Under Joint Supervision in fulfilment of the requirements of the PhD Degree in Sciences (“Docteur en Sciences”) Academic year 2019-2020 SUPERVISORS: Professors Lei CHOU & Pierre REGNIER (Université libre de Bruxelles) Professor Nathalie FAGEL (Université de Liège) Thesis jury: Marilaure GRÉGOIRE (Université de Liège, Chair) Sandra ARNDT (Université libre de Bruxelless, Secretary) Martine LEERMAKERS (Vrije Universiteit Brussel) Christophe RABOUILLE (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement) Arthur CAPET (Université de Liège) Abstract The northwestern (NW) continental shelf of the Black Sea undergoes seasonal hypoxia. The benthic environment, the exchanges at the water-sediment interface and the diagenetic reactions are influenced by this phenomenon. In the framework of the BENTHOX project, two field cruises were conducted on the shelf in spring 2016 and in summer 2017. The first part of this investigation concerned the study of the impact of low oxygen levels in bottom waters on the diagenetic reactions. The microprofilings of geochemical parameters and the flux measurements showed both spatial and temporal variabilities in the benthic compartment of the NW continental shelf for the two seasons studied. The areas closest to the coasts exhibited the most important fluxes of oxygen consumption and of sulfate. These regions were strongly influenced by riverine inputs inducing a higher productivity and in turn resulting in an increase in the fluxes of organic matter deposited on the seabed. The diagenetic reactions were impacted by seasonal deoxygenation in bottom waters. The oxic respiration was less important in the summer as reflected by the shallower penetration depth of dissolved oxygen. Since 1995, the diffusive oxygen uptake (DOU) reported during hypoxic period indicated that the concentration of dissolved oxygen played an important role in the benthic exchange fluxes. Furthermore, a shallower reduction of sulphate and of Mn- and Fe-oxides observed in the sediments evidenced the impact of low oxygen levels on the diagenetic cascade. As a consequence, the benthic mineralization of organic matter was affected. During summer 2017, the oxic mineralization of organic carbon was less important and the contribution of the reducing species to oxygen consumption increased. The anaerobic mineralization of organic matter became thus the dominant process during the period of deoxygenation. The second part concerned the study of the sulfur and iron cycling in the shelf sediments during the low oxygen event of summer 2017. The sediments from the station close to the mouth of the Danube and that near the Dnieper exhibited a signature of detrital material different from that of the upper crust. The inputs of organic matter, in particular transported by the rivers, could influence the signal. The sediments of the NW shelf investigated were however of marine origin. Following the sulfate reduction already observed and mentioned above, the hydrogen sulfides produced were rapidly consumed as suggested by the low concentrations of acid volatile i sulfide (AVS) and of the dissolved sulfide. The presence of pyrite in the upper layers of the sediments close to the water-sediment interface was plausible because the formation of pyrite in the water column had been reported due to the higher resistance of pyrite to oxidation compared to AVS (Wijsman et al. 2001). A non steady-state deposition was observed as suggested by Wijsman et al. (1999). It was characterized by an abrupt drop in the pyrite content caused possibly by fluctuations in salinity, dissolved O2 concentrations and organic matter fluxes. The non-reactive iron constituted the principal fraction of the total iron present in the sediments. Its contribution fell in the range reported for the marine sediments of the continental margins. A spatial variation of the concentration of highly reactive iron was nevertheless observed. Near the Dnieper mouth, the contents of reactive iron were lower and could be attributed to the less important fluvial inputs, to the sorption and/or precipitation processes or yet to the reallocation of the reactive iron of the shelf deposits towards the sediments in deep and euxinic waters. The last part of this thesis concerned the biogeochemistry of metals (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Hg, Co and Cd) during the early diagenesis and the assessment of enrichment and pollution of these metals in the sediments of the shelf. The results showed that trace metals are probably linked to iron and manganese oxides as well as to sulphides. Ni and Zn could be involved in adsorption onto and co-precipitation with Fe- and Mn-oxides. Cu seemed to be associated preferentially to sulphides but no clear correlation was found. The enrichment and pollution of these metals in the shelf sediments showed spatial variability. The Danube delta area was enriched in Ni, Cu and Zn while the Odessa region was enriched in Co and Cd. The pollution of shelf sediments ranged from “unpolluted” to “very highly polluted”. Since the late 20th century, the heavy metal contents in shelf sediments remained stable in the Odessa region but increased in the Danube delta area. ii Résumé Le plateau continental du Nord-Ouest de la Mer Noire subit une hypoxie saisonnière. L'environnement benthique, l'échange à l'interface eau-sédiment et les réactions diagénétiques sont influencés par ce phénomène. Dans le cadre du projet BENTHOX, deux campagnes de prélèvement ont été menées sur le plateau au printemps 2016 et à l'été 2017 dans le but de comprendre ces changements. La première partie de cette recherche concerne l’impact des faibles concentrations en oxygène dans les eaux de fond sur les réactions diagénétiques. Les micro-profils de paramètres géochimiques et les mesures de flux ont montré des variabilités spatiales et temporelles dans le compartiment benthique pour les deux saisons étudiées. Les zones les plus proches des côtes ont présenté les flux les plus importants de consommation d'oxygène et de sulfate. Ces régions ont été fortement influencées par les apports fluviaux induisant une productivité plus élevée et entraînant à son tour une augmentation des flux de matière organique déposée sur le fond marin. Les réactions diagénétiques sont affectées par la désoxygénation saisonnière des eaux de fond. La respiration oxique etait moins importante en été comme en témoigne la profondeur de pénétration moins profonde de l’oxygène. Depuis 1995, l’absorption d’oxygène dissous (DOU) rapportée pendant la période limitée en oxygène a indiqué que la concentration d'oxygène dissous jouait un rôle important dans les flux d'échanges benthiques. De plus, une diminution de la profondeur à laquelle la réduction des sulfates et la réduction des oxydes métalliques témoigne de l'impact d'une faible concentration en oxygène sur la cascade diagénétique. En conséquence, la minéralisation benthique de la matière organique a été affectée. Au cours de l'été 2017, la minéralisation oxique du carbone a été moins importante et la contribution des espèces réductrices à la consommation d’oxygène a augmenté. La respiration anaérobie de la matière organique est ainsi devenue le processus dominant pendant la période d'hypoxie. La deuxième partie portait sur l'étude du cycle du soufre et du fer dans les sédiments du plateau lors de l'événement de faible teneur en oxygène de l'été 2017. Les sédiments de la station proche de l'embouchure du Danube et de celle du Dniepr présentaient une signature de matière détritique différente de celle de la croûte supérieure. Les apports de matière iii organique, notamment transportés par les rivières, pourraient influencer le signal. Les sédiments du plateau nord-ouest étudiés étaient cependant d'origine marine. Suite à la réduction du sulfate déjà observée et mentionnée ci-dessus, les sulfures d'hydrogène produits ont été rapidement consommés comme le suggèrent les faibles concentrations en sulfure acide volatil (AVS) et en sulfure dissous. La présence de pyrite dans les couches supérieures des sédiments près de l'interface eau-sédiment était plausible car la formation de pyrite dans la colonne d'eau avait été signalée en raison de la résistance plus élevée de la pyrite à l'oxydation par rapport à l'AVS (Wijsman et al., 2001). Un dépôt à l'état non stationnaire a été observé comme le suggèrent Wijsman et al. (1999). Elle a été caractérisée par une chute brutale de la teneur en pyrite causée peut-être par des fluctuations de salinité, des concentrations d'O2 dissous et des flux de matière organique Le fer non réactif constituait la fraction principale du fer total présent dans les sédiments. Sa contribution est tombée dans la gamme signalée pour les sédiments marins des marges continentales. Une variation spatiale de la concentration en fer hautement réactif a néanmoins été observée. Près de l'embouchure du Dniepr, les teneurs en fer réactif étaient plus faibles et pouvaient être attribuées aux apports fluviaux moins importants, aux processus de sorption et / ou de précipitation ou encore à la réallocation du fer réactif des dépôts du plateau vers les sédiments en profondeur et eaux euxiniques. La dernière partie de cette thèse concerne la biogéochimie des métaux (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Hg, Co et Cd) lors de la diagenèse précoce et l'évaluation de l'enrichissement et de la pollution de ces métaux dans les sédiments du plateau. Les résultats ont montré que les métaux traces sont probablement liés aux oxydes de fer et de manganèse ainsi qu'aux sulfures. Ni et Zn pourraient être impliqués dans l'adsorption et la coprécipitation avec les oxydes de Fe et de Mn. Le Cu semble être associé préférentiellement aux sulfures mais aucune corrélation claire n'a été trouvée. L'enrichissement et la pollution de ces métaux dans les sédiments du plateau ont montré une variabilité spatiale. La zone du delta du Danube a été enrichie en Ni, Cu et Zn tandis que la région d'Odessa s'est enrichie en Co et Cd.