Photochemical transformation of dissolved organic matter in aquatic environment : From a boreal lake and Baltic Sea to global coastal ocean

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2358-9
Title: Photochemical transformation of dissolved organic matter in aquatic environment : From a boreal lake and Baltic Sea to global coastal ocean
Author: Aarnos, Hanna
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences, Akvaattiset tieteet
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-09-02
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2358-9
http://hdl.handle.net/10138/165714
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: As dissolved organic matter (DOM) constitutes a vast reservoir of carbon and nutrients in lakes, rivers and ocean, it plays an important role in the global carbon and nutrient cycles. Only a part of DOM is directly biologically utilizable by bacteria, but solar radiation induced photochemical reactions may mineralize DOM to inorganic forms such as dissolved inorganic carbon (DIC) and ammonium (NH4+), and also degrade non-labile DOM molecules to labile organic substrates available for bacteria. This dissertation examined the photochemical transformation of DOM in the surface water in different scales of aquatic environments; from a Finnish boreal lake and the Baltic Sea to the coastal areas of ten globally big rivers. This dissertation studied photochemical reactions such as photoproduction of DIC, NH4+, and labile substrates supporting bacterial growth, and determined the photoreactivity of DOM, i.e., apparent quantum yields for the photoreactions in each environment. To consider the relevance of photochemistry of DOM, an optical model was used to quantify the photoreaction rates taking into account for the determined photoreactivity of DOM and solar radiation incidental to each environment studied. In the Baltic Sea, the pelagic heterotrophic bacterioplankton was carbon-limited indicating low bioavailability of DOM in the surface water. Irradiations of the waters with natural or simulated solar light resulted in photobleaching of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) and phototransformation of DOM to DIC and NH4+ as well as to labile DOM substrates. This dissertation showed that across the entire Baltic Sea, the annual photoproduction of NH4+ corresponded to 9 18% of the annual river loading of DON, but the photoproduction of DIC exceeded the annual river loading of photoreactive terrigenous DOC. Furthermore, the studies along the salinity transects indicated that terrigenous DOC was more photoreactive than marine DOC but the marine DON was more reactive than terrigenous DON. The photoproduced labile substrates supported bacterial production and biomass leading to a 3-level trophic transfer of non-labile DOM and a simultaneous stimulation of autotrophic algae and primary production. The annual amount of photostimulated bacterial biomass corresponded to 3 5% of total bacterial biomass across the entire Baltic Sea. In the Baltic Sea as well as in the mesohumic lake studied, the photolytic water layer was shallow and limited the phototransformation of DOM to the top 30 cm. In the global scale, the annual DIC photoproduction from terrigenous CDOM in front of the ten rivers studied (12.5 ± 2.1 Tg C y-1) corresponded to 18 ± 4% of annual flux of terrigenous DOC of the rivers. When extrapolated to a global estimate, 44.5 ± 10.6 Tg of terrigenous DOC was annually mineralized to DIC by solar radiation in coastal waters. Globally, the amount of photomineralization of terrigenous DOC was larger in coastal ocean than in lakes and reservoirs. However, the areal rates of DIC photoproduction were larger in the lakes and reservoirs than in the coastal waters indicating that phototransformation of terrigenous DOC was likely limited by relatively short residence times in inland waters. To conclude, the phototransformation in coastal waters formed the final sink for riverine terrigenous CDOM and DOC, but was restricted in general, to a few hundred kilometres from river mouths to the ocean with the exception of largest discharging rivers.Liuennutta orgaanista ainetta (dissolved organic matter, DOM), ml. humusaineet, kulkeutuu vesistöihin valuma-alueelta mm. luonnonhuuhtouman mukana, minkä lisäksi sitä syntyy vesieliöiden toiminnan seurauksena vesistöissä. Maailmanlaajuisesti tarkastellen merien, järvien ja jokivesien DOM muodostaa merkittävän orgaanisen hiilen ja typen varaston, ja siten sen dynamiikan ja hajoamisen ymmärtäminen on olennaista hiilen ja ravinteiden kierron kannalta. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli selvittää ja mitata prosesseja, jotka hajottavat DOMia luonnonvesissä (valokemiallinen ja mikrobiologinen hajoaminen), sekä mallinnuksen avulla arvioida DOMin hajoamisen merkitystä erilaisissa vesiympäristöissä. Tutkimusalueina olivat Lammin Pääjärvi, Itämeri sekä jokisuualueet kymmenestä suuresta joesta (Mississippi, Amazon, Kongo, Paraná, Yantgze, Mekong, Ganges-Brahmaputra, Lena, Tonava ja St. Lawrence). Liuennut orgaaninen aine voi hajota vesistöissä joko biologisesti bakteeritoiminnan seurauksena tai valokemiallisesti auringon säteilyn, erityisesti UV-säteilyn, vaikutuksesta. Useimmiten DOM-yhdisteet ovat niin monimutkaisia ja heikosti biologisesti käyttökelpoisia, että ainoastaan valokemialliset reaktiot voivat hajottaa niitä. Toisaalta valokemiallisia hajotusreaktioita voi tapahtua vain esimerkiksi järven tai meren valaistussa pintavesikerroksessa, joka väitöskirjassa tutkitussa järvessä sekä Itämerellä rajoittui ylimpään 30 cm:iin. Auringon säteily voi muuntaa DOMin sisältämän orgaanisen typen esim. leville käyttökelpoiseen muotoon (ammoniumtypeksi) ja orgaanisen hiilen joko hiilidioksidiksi tai pienemmiksi orgaanisiksi yhdisteiksi, jotka ovat käyttökelpoisia bakteereille. Osa bakteerien käyttämästä hiilestä muuntuu bakteerihengityksen kautta edelleen hiilidioksidiksi ja osa bakteeribiomassaksi, joka siirtyy bakteereja syövien siimaeliöiden kautta osaksi ylempää ravintoverkkoa. Tässä väitöskirjassa havaittiin, että valokemiallisten reaktioiden tuottamat bakteereille käyttökelpoiset hiiliyhdisteet lisäsivät bakteerien kasvun lisäksi myös siimaeliöiden sekä niitä laiduntavien ripsieläinten biomassaa Itämerellä. Valokemiallisesti tuotettu typpi puolestaan lisäsi planktonlevien kasvua. Väitöskirjassa arvioitiin, että koko Itämeren alueella valokemia hajotti vuodessa orgaanista hiiltä hiilidioksidiksi määrällisesti enemmän kuin joet vuosittain kuljettavat DOMia valuma-alueelta Itämereen. Orgaanisen typen valokemiallinen hajoaminen puolestaan vastasi 9-18 % vuosittaisesta liuenneen orgaanisen typen jokikuormituksesta ja saattaa siten muodostaa merkittävän typenlähteen typpirajoitteisille leville Itämerellä. Väitöskirjassa tarkasteltujen suurten jokien mereen kuljettamasta DOM-kuormasta 14-22 % hajosi hiilidioksidiksi valokemian seurauksena. Maailmanlaajuinen arvio jokivesien mereen kuljettaman orgaanisen hiilen kohtalosta osoitti, että maalta mereen kulkeutunut aines hajoaa jo rannikkovesialueella. Jokivesien vaikutus ulottuu keskimäärin korkeintaan noin 500 km etäisyydelle rannasta, lukuun ottamatta suurimpia DOMia kuljettavia jokia (Amazon ja Kongo) sekä Jäämerelle laskevaa jokea (Lena), jossa valaistusolot rajoittavat DOMin valokemiallista hajoamista.
Subject: akvaattiset tieteet
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
photoche.pdf 2.598Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record