Aluminium og spormetaller i Kaldvellfjorden : tilstandsformer og opptak i fisk

Abstract

Aluminium (Al) og andre spormetaller i vann er giftig for fisk ved høye konsentrasjoner. Etter bygging av ny E18 ved Lillesand har det blitt dokumentert høye konsentrasjoner av Al og andre spormetaller i sur avrenning fra deponi med svovelholdige steinmasser. Den sure avrenningen blir tilført Kaldvellfjorden via Stordalsbekken. Det har vært stor bekymring om tilførsel av metaller til Kaldvellfjorden medfører negative effekter på akvatiske organismer i fjorden. Det har derfor blitt bygd renseanlegg med kjemisk felling (NaOH) i Stordalen for å fjerne Al og andre spormetaller før utslipp i Stordalsbekken og Kaldvellfjorden. I vann foreligger Al og andre spormetaller på ulike fysiske og kjemiske tilstandsformer, hvorav ioner er antatt å være biotilgjengelige, mens kolloidale og partikulære tilstandsformer er mer inerte og ikke antatt reaktive for akvatiske organismer som fisk. Det er imidlertid lite kunnskap om hvordan tilstandsformer og biotilgjengelighet av Al og andre spormetaller påvirkes når surt tilsig fra deponi blandes med sjøvann, som er tilfelle i Kaldvellfjorden i utløpet av Stordalsbekken. Slik kunnskap er påkrevet for å kunne vurdere hva som er kritiske nivåer av spormetaller i brakkvann. Resultater fra laboratorieforsøk, feltforsøk og feltundersøkelser i prosjektet viser at behandlingen av den sure avrenningen i renseanlegget i Stordalen bidrar til en betydelig reduksjon i total metall-konsentrasjonen, samt en endring fra lavmolekylære tilstandsformer til partikulære tilstandsformer av Al og spormetaller i vannet før utslipp i Stordalsbekken. Ved innblanding av sjøvann i vann fra Stordalsbekken er det videre en fortynning i konsentrasjonen av Al og spormetaller, men også en polymerisering av tilstandsformer med lav molekylmasse (LMM), og en aggregering av partikulære tilstandsformer som bunnfeller. Konsentrasjonen av Al og spormetaller i Stordalsbekken avtar derfor mer enn estimert basert på fortynning ved utløp i Kaldvellfjorden. Al og andre spormetaller foreligger hovedsakelig som LMM tilstandsformer i Kaldvellfjorden og i lavere konsentrasjoner enn i Stordalsbekken. Resultater viser at en rekke spormetaller inkludert sjeldne jordmetaller følger de samme endringene der konsentrasjonen avtar med økende saltholdighet. Feltforsøk viser at vannkvaliteten i nedre del av Stordalsbekken er akutt giftig for fisk, også kort tid etter fortynning (<30 minutter) med sjøvann til 25 promille saltholdighet der den renner ut i sjøen. Konsentrasjonen av spesielt Al er høy i gjeller fra fisk eksponert for brakkvannet til tross for at Al konsentrasjonen fortynnes med sjøvann. Resultater viser at Al er mer reaktiv som følge av polymerisering i sjøvannet. Det avsettes derfor Al i svært høye konsentrasjoner på gjellene til fisk som medfører akutt død ved mer enn 400 μg Al/g tørrvekt (tv) gjelle. Observasjoner viser at kvaliteten på vannet som kommer fra renseanlegget under normal drift bidrar til lavere avsetning av metaller på fiskegjeller sammenlignet med vann nederst i Stordalsbekken, og i liten grad til avsetning av metaller på fiskegjeller etter innblanding av sjøvann sammenlignet med høy avsetning basert på vann fra Stordalsbekken. Det konkluderes med at tilsig nedstrøms renseanlegget fører til økt avsetning av metaller på fiskegjeller og høy giftighet i Stordalsbekken, også etter innblanding av sjøvann. I Kaldvellfjorden var det relativt høy saltholdighet i den undersøkte perioden. I denne perioden var konsentrasjonen av Al og spormetaller i fjorden generelt lav og avsetning av Al (<10 μg/g t.v. gjelle) og spormetaller i fiskegjeller ubetydelig. Konsentrasjonen ble imidlertid forhøyet til 165 μg Al/g gjelle etter en moderat flomepisode med saltholdighet ned mot 15 promille i Kaldvellfjorden. Det er en korrelasjon mellom konsentrasjonen av de ulike spormetallene avsatt på gjellene til fisk i Kaldvellfjorden og metallprofilen i Stordalsbekken. Dette indikerer at kilden til avsetningen i Kaldvellfjorden er avrenning fra svovelholdig stein fra deponiet via Stordalsbekken eller andre kilder med slik avrenning. Saltholdigheten i Kaldvellfjorden korrelerer med vannføring i Stordalsbekken, og avtar til 5 promille under episoder med økt vannføring i Stordalsbekken. Under slike episoder er det naturlig å anta at konsentrasjonen av Al og spormetaller i vannet øker ytterligere enn det som ble observert ved 15 promille saltholdighet og at det under slike episoder er økt avsetning på fikegjeller. Logging av saltholdighet viser også at saltholdigheten i de øvre vannmassene er tilnærmet det samme i hele fjorden og at saltholdigheten øker med dybden. Vann på 3 meters dyp i fjorden ligger under pyknoklinen på 2 meter og har variasjoner i saltholdighet som ikke korrelerer med variasjonene observert i overflaten og vannføring i Stordalsbekken. Vannet under pyknoklinen kan være akutt giftig for fisk med omrøring av oksygenfattig bunnvann, som observert med 100% dødelighet i bur på 3 meters dyp høsten 2016. Dette tilskrives ikke sur avrenning og metall giftighet, men er naturlige prosesser som finner sted i terskelfjorder med liten utskiftning av bunnvannet. Opprettholdes normal renseeffekt i renseanlegget også under nedbørepisoder med økt tilførsel av sigevann fra deponiet kan det antas at bidraget fra deponiet i liten grad vil bidra til avsetning av Al og spormetaller på fiskegjeller i Kaldvellfjorden. Resultater viser ingen antydning til mobilisering av partikulære Al tilstandsformer fra renseanlegget etter innblanding i sjøvann. Spormetaller som Mn og Ni forblir i større grad reaktive også etter renseanlegget, men avtar ved fortynning med sjøvannet. Bidraget fra andre kilder i nærområdet med avrenning fra svovelholdig stein kan imidlertid også bidra til effekter som observert i utløpet av Stordalsbekken, hvor dødelighet av fisk hovedsakelig tilskrives avrenning nedstrøms deponiet. I dette arbeidet har Al og andre spormetaller blitt karakterisert i Kaldvellfjorden ved saltholdighet ved 15 promille og høyere. Det eksisterer imidlertid episoder med betydelig bidrag av ferskvann og med saltholdighet ned mot 5 promille. Det er fortsatt et behov for å dokumentere metallkonsentrasjoner i Kaldvellfjorden under slike episoder for å identifisere om disse episodene bidrar til akutte effekter utover området der Stordalsbekken renner ut i Kaldvellfjorden.

Aluminum (Al) and other trace metals are toxic towards fish at high concentrations in water. Deposition of acid producing bedrock after construction of E18 in Lillesand has led to acid drainage water and heavy metal pollution in nearby aquatic environments. Metal rich acid drain water entering into the Stordalsbekken drains into coastal water in the Kaldvellfjord, causing high public attention due to possible negative effects in the fjord. One treatment plant with chemical treatment (NaOH) has been constructed to reduce the metal concentration from the acid drain water and the input to the fjord. Trace metals can be present in different physico-chemical forms in water, and low molecular mass species such as ions are assumed to be more bioavailable than colloidal and particulate species assumed to be more inert and little reactive towards aquatic organisms such as fish. The speciation and bioavailability of trace metals will change by mixture of acid drain water with seawater in Kaldvellfjord. The knowledge is however limited. Results from experiments in laboratory and in field as well as investigations in the Kaldvellfjord show that water treatment plant in Stordalen decrease the metal concentration in the acid drain water, and transfer low molecular mass species to more particulate metal species discharged into Stordalsbekken. Furthermore, metal species in Stordalsbekken dilutes by mixing with the seawater at Kaldvellfjord. In addition, LMM Al species transform to colloidal and particulate species probably by polymerization and those particulate species aggregate and precipitate. The concentrations of Al and trace metals in Stordalsbekken are therefore reduced more than by dilution in the Kaldvellfjord. Al and other trace metals are thus mainly present as LMM species in Kaldvellfjord and in lower concentration than Stordalsbekken. Results also show that several trace metals follow the same processes as Al where decreasing metal concentration were observed with increasing salinity of water. Field experiments demonstrate that the water in Stordalsbekken is acute toxic towards fish in short time after mixing (<30 min) and dilution with seawater to 25 PSU at the estuary of Stordalsbekken. The concentration of Al, in particular, in gills is higher to fishes exposed to the brackish water, despite dilution of Al in the seawater. The formation of more gill reactive Al species is due to the increase in water pH. Polymerization of LMM Al species are assumed to increase the gill reactivity and be the main cause of extreme Al accumulation in gills of Atlantic salmon at smolt stage. Mortality of fish is observed at more than 400 μg Al/g dw gill. Results however show low deposition of Al and other trace metals in gills of fish exposed to the water from the treatment plant mixed with seawater directly. Results indicate thus contribution of Al and trace metals from other sources downstream the treatment plant. Identification of such potential sources need high attention. The salinity in Kaldvellfjorden was relatively high during the experimental period, demonstrating a low contribution of freshwater to the fjord. During the experimental period with high salinity in Kaldvellfjorden, the concentration of Al and trace metals was low in water and the deposition on gills was low (<10 μg/g dw gjelle) and not significantly higher than in control fish. The Al deposition in fish gills increased to 165 μg Al /g gill following a small episode when salinity decreased to 15 PSU in Kaldvellfjorden. Results demonstrate good correlation between profile of metals accumulated at fish gills, in runoff of acid producing bedrock and in water of Stordalsbekken. This indicate that acid draining from the deposition of sulfur containing rock in Stordalen or from other sources of similar draining is the source of trace metal accumulation of fish in Kaldvellfjorden. There is a good correlation between salinity in the surface water in Kaldvellfjorden and water flow in Stordalsbekken, with decreasing salinity during episodes of increased water flow. The concentration of Al and trace metals are assumed to increase in the fjord water during episodes with lower dilution and thus the same must be assumed for the uptake of trace metals in fish. Logging of salinity show similar trends in the surface water at different sites in Kaldvellfjorden, but very different trends in water at 3 meter depth due to a pycnocline in the fjord at 2 meters depth. Results show that the bottom water could be acute toxic for fish during circulation of oxygen poor water as 100% mortality was observed for fishes caged at 3 meter depth, but not at 1 meter depth during autumn 2016. This is due to naturally processes occurring inside sea thresholds with limited circulation of the bottom water. Results indicate that the acid producing bedrock will have limited contribution to toxic trace metals if the treatment of the acid draining water remains effective also during episodes with high water transport in Stordalsbekken. However, a focus on additional potential sources that contribute with acid metal rich leaching to the coastal water in needed. The concentration of trace elements in Kaldvellfjorden should also be followed during episodes at salinity between 5 to 15 PSU to evaluate risks during episodic events with high input of freshwater not characterized in this study.