Transformation and removal of riverine dissolved organic matter in Baltic Sea estuaries

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-9764-5
Title: Transformation and removal of riverine dissolved organic matter in Baltic Sea estuaries
Author: Asmala, Eero
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences
Finnish Environment Institute (SYKE)
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The pool of riverine dissolved organic matter (DOM) results from integration of complex catchment processes, and links the terrestrial and coastal systems by transporting organic matter from watersheds to estuaries. In this thesis, field samplings and laboratory experiments were combined to assess the spatio-temporal variation in riverine DOM quantity and quality in three Finnish estuaries discharging to the Baltic Sea. Also, the biogeochemical transformation and removal processes influencing the composition of the DOM pool were studied. Large-scale catchment characteristics were linked to the properties of the riverine DOM. Throughout the work the DOM quality was assessed using multiple analytical approaches: C/N stoichiometry, colored DOM (CDOM) absorption, CDOM fluorescence, molecular weight and iron content. Estuarine DOM was subjected to heterotrophic degradation in factorial experiments to quantify the role of salinity, inorganic nutrients and predegradation to DOM bioavailability and the performance of the heterotrophic bacteria. Additionally salt-induced flocculation of DOM was studied by combining field samplings, laboratory experiments and modeling. The selected three study catchments differed markedly in their land-use, and these differences were reflected on the riverine DOM quantity and quality. Seasonal variation was observed in both the quantity and quality of the riverine DOM, but this variation was not reflected to the degradation processes in the estuaries. The experiments provided evidence that increasing proportion of forests and peatlands were linked to the increase of carbon loading from the catchment, and to decreases in the subsequent quantities of bioavailable dissolved organic carbon (DOC) and bacterial growth efficiencies (BGE). A higher proportion of agricultural land in the catchment indicated an increase of the amount and bioavailability of dissolved organic nitrogen (DON) in the DOM pool. A larger proportion of lakes in the catchments, on the other hand, were related to decreased bioavailable DON. The moderate changes in salinity introduced in the experiments did not affect either DOM bioavailability or BGE. Also replete inorganic nutrients did not influence the DOM bioavailability, although did increase BGE on average from 11 to 40%. Increasing predegradation, i.e. DOM subjected to heterotrophic degradation for varying times before the actual bioassays, decreased BGE from 65 to 25% on average. Flocculation caused deviations from conservative mixing of DOM variables in the study estuaries, and the quantity and quality of flocculated DOM was studied in a laboratory experiment. The maximum deviation from conservative mixing of DOC in estuaries was -16% at salinities between 1 and 2, indicating significant flocculation within a relatively narrow salinity range. Both processes, biodegradation and flocculation, removed riverine DOM before reaching the open sea (so-called marginal filter), but also changed the properties of the remaining DOM pool. Also, both processes increased the humic-like fluorescence and DOC-specific absorbance of the DOM pool, which suggests that the refractory DOM pool reaching the sea is a result of multiple, interacting processes along the hydrological path. All in all, both biodegradation and flocculation remove riverine DOM in estuaries, and also transform the remaining DOM pool that ultimately reaches the open sea. Findings from this thesis show that DOM quality has a pivotal role in the functioning of both of these essential and ubiquitous mechanisms.Jokien kuljettamalla liuenneella orgaanisella aineksella (dissolved organic matter, DOM) on merkittäviä vaikutuksia rannikoiden vesiekosysteemeihin; DOM varjostaa kasviplanktonia ja muuta vesikesvillisuutta sekä kuljettaa suuria määriä hiiltä, typpeä ja fosforia mikrobiravintoverkon käyttöön. Jokiperäinen DOM on tulosta valuma-alueen monimutkaisten prosessien yhteisvaikutuksista, yhdistäen maa- ja rannikkosysteemit kuljettamalla eloperäistä ainesta valuma-alueelta jokisuistoihin. Tässä työssä on yhdistetty kenttähavaintoja ja laboratoriokokeita jokiperäisen DOM:in määrän ja laadun vaihtelun arvioimiseen kolmessa Itämereen laskevan joen suistossa. Lisäksi työssä tutkittiin DOM:in koostumukseen vaikuttavia biogeokemiallisia muutos- ja poistoprosesseja. Valuma-alueen ominaisuuksia pystyttiin yhdistämään jokiperäisen DOM:in koostumukseen. DOM:in laatua arvioitiin tutkimuksessa useilla analyyseillä: C/N stoikiometrialla, värillisen eloperäisen aineen (colored dissolved organic matter, CDOM) absorptiolla ja fluoresenssilla, molekyylipainolla ja rautapitoisuudella. Jokisuistojen DOM altistettiin heterotrofiselle bakteerihajotukselle faktorityyppisissä koejärjestelyissä saliniteetin, epäorgaanisten ravinteiden ja esihajotuksen vaikutusten DOM:in biohajoavuuteen ja bakteeriyhteisön toiminnan tutkimiseksi. Lisäksi suolan aiheuttamaa DOM:in sakkautumista tutkittiin yhdistämällä kenttähavaintoja, laboratoriokokeita ja mallinnusta. Kolme tutkittavana ollutta valuma-aluetta erosivat merkittävästi maankäytöltään, ja nämä muutokset heijastuivat jokiperäisen DOM:in määrään ja laatuun. Vuodenaikaisvaihtelua havaittiin sekä DOM:in määrässä että laadussa, mutta vaihtelu ei vaikuttanut DOM:in biologiseen hajotukseen. Laboratoriokokeet vahvistivat metsä- ja suopinta-alan vaikuttavan lisäävästi valuma-alueiden hiilivirtoihin, mutta vähentävän biohajoavan liuenneen eloperäisen hiilen (dissolved organic carbon, DOC) suhteellista osuutta ja heikentävän bakteerikasvutehoa (bacterial growth efficiency, BGE). Maatalousmaan suuri suhteellinen osuus valuma-alueella voitiin yhdistää korkeaan liuenneen eloperäisen typen (dissolved organic nitrogen, DON) kuormaan ja biohajoavuuteen. Järvien suhteellisesti suuri määrä valuma-alueella taas alensi DON:in biohajoavuutta. Laboratoriokokeissa suolapitoisuuden ei havaittu vaikuttavan DOM:in biohajoavuuteen eikä BGE:hen. Myöskään epäorgaanisten ravinteiden lisäys ei kasvattanut biohajoavuutta, mutta nosti bakteerikasvutehoa keskimäärin 11 prosentista 40 prosenttiin. Esihajotus, eli DOM:in altistaminen vaihtelevalle jaksolle heterotrofista bakteerihajotusta ennen varsinaisia hajotuskokeita, laski kasvutehoa keskimäärin 65 prosentista 25 prosenttiin. Sakkautuminen aiheutti poikkeamia DOM:in konservatiivisesta sekoittumisesta tutkituissa jokisuistoissa, ja sakkautuvan DOM:in määrää ja laatua tutkittiin laboratoriokokeessa. Suurin havaittu poikkeama DOC-pitoisuudessa konservatiivisen sekoittumisen odotusarvosta oli -16% suolapitoisuuden ollessa välillä 1 - 2, joka kertoo merkittävästä sakkautumisesta suhteellisen kapealla suolapitoisuuden vaihteluvälillä. Molemmat prosessit, biohajotus ja sakkautuminen, poistivat jokiperäistä DOM:ia ennen sen kulkeutumista merelle, mutta myös muuttivat jäljelle jääneen DOM:in ominaisuuksia. Molemmat prosessit myös lisäsivät DOM:in humustyyppistä fluoresenssia ja ominaisabsorbanssia, mistä voidaan päätellä että merelle saakka päätyvä, vaikeasti hajotettava DOM on tulosta monista vuorovaikutteisista prosesseista matkalla maalta merelle. Kaiken kaikkiaan sekä biohajotus että sakkautuminen poistavat DOM:ia jokisuistoissa, mutta myös muuttavat jäljelle jäänyttä DOM:ia. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat että DOM:in laadulla on suurta merkitystä näiden keskeisten ja yleisten mekanismien toimintaan.
URI: URN:ISBN:978-952-10-9764-5
http://hdl.handle.net/10138/42845
Date: 2014-03-07
Subject: ympäristötieteet
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
Asmala_thesis.pdf 1022.Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record