Loading...
Publication
Phosphorus dynamics in Gulf of Finland sediments with contrasting redox conditions
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 2.9 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Enhanced phosphorus (P) and nitrogen (N) inputs have resulted in eutrophication and subsequent depletion of oxygen (O2) in the bottom water (BW) of the Gulf of Finland (GoF). The P cycling is controlled by the redox state of the system. For a complete understanding of the P dynamics in the GoF, we conducted detailed chemical analyses in order to assess the mechanisms responsible for P burial and release under different redox conditions. Here, we present porewater and sediment data for four different sites in the GoF. We used a combination of three sequential extraction methods (for P, iron (Fe) and sulphur (S)) with synchrotron-based high-resolution elemental mapping of P, manganese (Mn), Fe and S to determine in which mineral forms P is sequestered. We found high amounts of sedimentary Mn, Fe-oxyhydroxides (Feox) and P in the surface sediments upon an increase of BW O2. Electrogenic sulphur oxidation (e-SOx), by the recently discovered cable bacteria, might further contribute to the enhanced formation of Mn, Feox and P compounds in these surface sediments. We suggest that Mn(II) phosphates, Mn-oxyhydroxides (Mnox) and Mn-carbonates might play an important role in the sequestration of P in the GoF. The sulphidic sediments are not effectively sequestering P due to the reductive dissolution of Feox and Mnox and a subsequent release of P to the overlying water during hypoxic intervals. Our results indicate that the organic matter serves as the only permanent burial pathway for P in the GoF, regardless the redox state.
O aumento do aporte antropogénico de fósforo (P) e azoto (N) desde a revolução industrial resultou na eutrofização, e posterior depleção de oxigénio (O2), na água de fundo (BW) do Golfo da Finlândia (GoF), a sub-bacia mais eutrofizada do Mar Báltico. O elemento P desempenha um papel fundamental na regulação do desenvolvimento de eventos hipóxicos em sistemas costeiros sulfídicos, considerando que a demanda de N2 é amplamente coberta pelas cianobactérias fixadoras de N2 através de vetores tróficos. Tanto a reciclagem do P como a sua biodisponibilidade são fatores críticos controlados pelo estado redox do sistema. Para uma compreensão completa da dinâmica do P, o GoF foi usado como um laboratório natural para avaliar com precisão os diversos mecanismos responsáveis pelo armazenamento do P no sedimento e sua liberação na coluna de água sob diferentes condições redox, bem como as magnitudes relativas dos referidos processos. São apresentados neste trabalho dados de água intersticial e de sedimentos para quatro locais diferentes no GoF, que refletem as diferentes reações existentes (i.e., consumo de reagentes, libertação de substâncias e difusão de substâncias dissolvidas) e perfis de elementos, respectivamente, de um sistema em transição de um estado normalmente óxico para um estado com baixo teor em O2. Foi utilizada uma combinação de três métodos de extração sequencial (para P, ferro (Fe) e enxofre (S)) com mapeamento elementar de P, manganês (Mn), Fe e S de alta resolução baseado na aquisição por sincrotrão, para determinar qualitativa e quantitativamente em que formas minerais o P é sequestrado. Foram medidas grandes quantidades de oxi-hidróxidos sedimentares de Mn, Fe- (Feox) e enrequecimento de P nos sedimentos superficiais após um aumento de O2 nas águas de fundo (BW). Além disso, as análises biogeoquímicas do sedimento revelaram a presença de diferentes comunidades de bactérias, outro fator, além da condição redox, que desempenha um papel na dinâmica do P. A oxidação eletrogénica do enxofre (e-SOx), pelas bactérias “cabo” recentemente descobertas, pode contribuir ainda mais para um incremento da formação de compostos de Mn, Feox e P nestes sedimentos superficiais quando o O2 na águas de fundo ainda está presente. Estes resultados sugerem que os minerais de Mn, como os fosfatos Mn(II), os oxi-hidróxidos de Mn (Mnox) e os carbonatos de Mn, possam desempenhar um papel importante no sequestro do P no GoF. No entanto, estes sedimentos sulfídicos não parecem estar a seqüestrar efetivamente o P, sendo o mesmo removido apenas a curto prazo devido à dissolução redutora das frações de Feox e Mnox e a subsequente libertação de P para a água subjacente durante os intervalos hipóxicos. Tal dissolução promove uma reciclagem contínua do P biodisponível, alimentando posteriormente a produção primária nas águas superficiais e fornecendo matéria orgânica às águas do fundo (o chamado "círculo vicioso"). Estes resultados indicam que, apesar do importante enriquecimento dos sedimentos com Mn e Feox que se ligam ao P, essas frações nunca conduzem a uma remoção do P a longo prazo do sistema. Assim, a fração de matéria orgânica que não foi remineralizada serve como a única via de armazenamento permanente para o P no GoF, independentemente do estado redox e da profundidade. Nos sedimentos onde a ausência de O2 nas águas de fundo prevalece, a respiração anaeróbica pela sulfato-redução da matéria orgânica alimenta a água intersticial com concentrações elevadas de H2S livre, que se difunde no sedimento e é posteriormente libertado para a coluna de água (estado denominado euxinia) quando as frações de Mnox e Feox não estão presentes. Em oposição, quando os minerais de Feox e Mnox existem, essas frações ligam-se ao H2S livre para formar minerais de sulfureto como FeS, evitando que o H2S entre na coluna de água. Esses sedimentos marinhos atuam como fonte de nutrientes quando se estabelecem condições de baixo teor em O2, reciclando o P e libertando H2S e, portanto, contribuindo para a hipóxia relacionada com a eutrofização e promovendo a euxinia. O presente estudo permitiu uma melhor compreensão dos processos biogeoquímicos que controlam a hipoxia nos sedimentos costeiros marinhos. A informação obtida neste projeto de tese sobre mudanças na dinâmica do P relacionadas às condições redox é altamente relevante face à atual expansão mundial da hipoxia. Deste modo, os resultados aqui apresentados podem ser extrapolados para outros sistemas costeiros sulfídicos e podem ser considerados para prever como estes irão reagir num futuro cenário de hipoxia agravada no domínio marinho.
O aumento do aporte antropogénico de fósforo (P) e azoto (N) desde a revolução industrial resultou na eutrofização, e posterior depleção de oxigénio (O2), na água de fundo (BW) do Golfo da Finlândia (GoF), a sub-bacia mais eutrofizada do Mar Báltico. O elemento P desempenha um papel fundamental na regulação do desenvolvimento de eventos hipóxicos em sistemas costeiros sulfídicos, considerando que a demanda de N2 é amplamente coberta pelas cianobactérias fixadoras de N2 através de vetores tróficos. Tanto a reciclagem do P como a sua biodisponibilidade são fatores críticos controlados pelo estado redox do sistema. Para uma compreensão completa da dinâmica do P, o GoF foi usado como um laboratório natural para avaliar com precisão os diversos mecanismos responsáveis pelo armazenamento do P no sedimento e sua liberação na coluna de água sob diferentes condições redox, bem como as magnitudes relativas dos referidos processos. São apresentados neste trabalho dados de água intersticial e de sedimentos para quatro locais diferentes no GoF, que refletem as diferentes reações existentes (i.e., consumo de reagentes, libertação de substâncias e difusão de substâncias dissolvidas) e perfis de elementos, respectivamente, de um sistema em transição de um estado normalmente óxico para um estado com baixo teor em O2. Foi utilizada uma combinação de três métodos de extração sequencial (para P, ferro (Fe) e enxofre (S)) com mapeamento elementar de P, manganês (Mn), Fe e S de alta resolução baseado na aquisição por sincrotrão, para determinar qualitativa e quantitativamente em que formas minerais o P é sequestrado. Foram medidas grandes quantidades de oxi-hidróxidos sedimentares de Mn, Fe- (Feox) e enrequecimento de P nos sedimentos superficiais após um aumento de O2 nas águas de fundo (BW). Além disso, as análises biogeoquímicas do sedimento revelaram a presença de diferentes comunidades de bactérias, outro fator, além da condição redox, que desempenha um papel na dinâmica do P. A oxidação eletrogénica do enxofre (e-SOx), pelas bactérias “cabo” recentemente descobertas, pode contribuir ainda mais para um incremento da formação de compostos de Mn, Feox e P nestes sedimentos superficiais quando o O2 na águas de fundo ainda está presente. Estes resultados sugerem que os minerais de Mn, como os fosfatos Mn(II), os oxi-hidróxidos de Mn (Mnox) e os carbonatos de Mn, possam desempenhar um papel importante no sequestro do P no GoF. No entanto, estes sedimentos sulfídicos não parecem estar a seqüestrar efetivamente o P, sendo o mesmo removido apenas a curto prazo devido à dissolução redutora das frações de Feox e Mnox e a subsequente libertação de P para a água subjacente durante os intervalos hipóxicos. Tal dissolução promove uma reciclagem contínua do P biodisponível, alimentando posteriormente a produção primária nas águas superficiais e fornecendo matéria orgânica às águas do fundo (o chamado "círculo vicioso"). Estes resultados indicam que, apesar do importante enriquecimento dos sedimentos com Mn e Feox que se ligam ao P, essas frações nunca conduzem a uma remoção do P a longo prazo do sistema. Assim, a fração de matéria orgânica que não foi remineralizada serve como a única via de armazenamento permanente para o P no GoF, independentemente do estado redox e da profundidade. Nos sedimentos onde a ausência de O2 nas águas de fundo prevalece, a respiração anaeróbica pela sulfato-redução da matéria orgânica alimenta a água intersticial com concentrações elevadas de H2S livre, que se difunde no sedimento e é posteriormente libertado para a coluna de água (estado denominado euxinia) quando as frações de Mnox e Feox não estão presentes. Em oposição, quando os minerais de Feox e Mnox existem, essas frações ligam-se ao H2S livre para formar minerais de sulfureto como FeS, evitando que o H2S entre na coluna de água. Esses sedimentos marinhos atuam como fonte de nutrientes quando se estabelecem condições de baixo teor em O2, reciclando o P e libertando H2S e, portanto, contribuindo para a hipóxia relacionada com a eutrofização e promovendo a euxinia. O presente estudo permitiu uma melhor compreensão dos processos biogeoquímicos que controlam a hipoxia nos sedimentos costeiros marinhos. A informação obtida neste projeto de tese sobre mudanças na dinâmica do P relacionadas às condições redox é altamente relevante face à atual expansão mundial da hipoxia. Deste modo, os resultados aqui apresentados podem ser extrapolados para outros sistemas costeiros sulfídicos e podem ser considerados para prever como estes irão reagir num futuro cenário de hipoxia agravada no domínio marinho.
Description
Dissertação de mestrado, Sistemas Marinhos e Costeiros, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017
Keywords
Fósforo Dinâmica Hipóxia Sedimentos Sequestro Ferro