Betydningen av organisk materiale for den historiske utviklingen av kvikksølv (Hg) i en humøs innsjø

Abstract

Dette studiet undersøker faktorer som kan forklare den historiske utviklingen av kvikksølv (Hg) i innsjøen Lundebyvann. Målet med studiet var å undersøke om (1) perioder med økt avsetning av organisk materiale (OM) gir økt avsetning av kvikksølv, (2) langtransportert kvikksølv er den viktigste forurensningskilden for kvikksølv, (3) endret arealbruk i innsjøens nedbørfelt har påvirket konsentrasjonen av kvikksølv grunnet endret avrenning av løst organisk materiale (DOM).

Hypotese (1), (2) og (3) ble besvart ved bruk av en paleolimnologisk undersøkelse. Den paleolimnologiske undersøkelsen ble utført i august 2020 ved å samle inn en sedimentsøyle fra Lundebyvann med en Uwitec sedimenthenter. Sedimentsøylen ble delt inn i 59 sedimentprøver som ble analysert for tungmetallene kvikksølv (Hg), bly (Pb) og kadmium (Cd), samt grunnstoffet svovel (S). En tilsvarende paleolimnologisk undersøkelse fra 2017 undersøkte Lundebyvannets sedimenter for innhold av organisk karbon (OC), og sedimentlagenes alder ved å kvantifisere sedimentsøylens innhold av radioaktivt cesium (Ce-137), americium (Am-241) og bly (Pb-201). Sammenligning av sedimentsøylen fra 2020 og 2017 viste to relativt like sedimentprofiler med hensyn på sedimenteringshastighet. Dateringen av sedimentlagene og sedimentenes innhold av organisk materiale, fra sedimentundersøkelsen utført i 2017, ble derfor benyttet i dette studiet.

For å evaluere sammenhengen mellom kvikksølvkonsentrasjon og mulige drivere for endret kvikksølvkonsentrasjon i innsjøen ble det konstruert generaliserte additive modeller (GAMs), samt utført en principal component analysis (PCA-analyse). Resultatene fra GAM-modellene og PCA-analysen viste at både svovel, organisk karbon, temperatur og nedbør er variabler som til sammen kan forklare historisk utvikling av kvikksølv i innsjøsedimentene. Konsentrasjonen av svovel og organisk karbon, samt verdier for årlig gjennomsnittlig middeltemperatur og nedbør forklarer, ifølge GAM-modellene, henholdsvis 88,9 %, 38,8 %, 35,2 % og 32,7 % av kvikksølvkonsentrasjonen i innsjøsedimentene. Beregnet avsetningshastighet viste videre samme avsetningsmønster for Hg og OC, og perioder med økt sedimentavsetning av OC ga økt sedimentavsetning av Hg. Følgelig er OM vurdert som en viktig transportvektor for Hg i Lundebyvann. Avsetningshastigheten til Hg og OC var relativt konstant og flat i perioden før 1915. I perioden etter 1915 var avsetningshastigheten preget av store svingninger, spesielt i perioden 1915-1985.

Kvikksølvkonsentrasjon i sediment avsatt før 1915 anses som naturlig bakgrunnsnivå. I perioden etter 1915 endret arealbruken i innsjøens nedbørfelt seg. Jordbruket ble mer intensivt, det ble praktisert uttak av torv og skogvolumet økte. Disse arealendringene førte trolig til perioder med økt avrenning av DOM, noe som kan forklare de store svingningene i avsetningsmønsteret til Hg og OC i perioden 1915-1985. Videre viste resultatene at forholdet mellom kvikksølv og organisk karbon (Hg/OC), og svovel og organisk karbon (S/OC) i innsjøens sedimenter økte fra rundt 1900 til en topp i 1961, hvilket er i takt med fremvoksende industrivirksomhet i Europa. Følgelig er langtransportert Hg fra Europa trolig den viktigste forurensningskilden for kvikksølv til Lundebyvann og tilhørende nedbørfelt i perioden 1915-1985. I perioden etter 1985 økte avsetningshastigheten til OC og Hg i innsjøsedimentene, til tross for redusert atmosfærisk avsetning av langtransporterte forurensninger. Økt sedimentavsetning av Hg i denne perioden skyldes trolig økt transport av organisk bundet Hg fra nedbørfeltet til innsjøen. Den økte mobiliseringen av Hg etter 1985 knyttes til økt avrenning av DOM, trolig som følge av nedgang i sur nedbør, økt skogvekst, samt økt temperatur og nedbør.

På den måten er det varierende avsetningsmønsteret til Hg i Lundebyvann trolig et resultat av samspillet mellom endret arealbruk, nedgang i sur nedbør, økt skogvekst, samt økt temperatur og nedbør, hvilket er drivere for Hg-vektoren organisk materiale som har variert i styrke med tiden.

This paper investigates which factors that best explains the historical development of mercury (Hg) in lake Lundebyvann. The aim of this study was to investigate whether (1) periods with increased deposition of organic matter (OM) result in increased deposition of Hg, (2) long-range mercury is the most important source of mercury pollution, (3) changed land use in the lake's catchment has affected the concentration of mercury due to changed dissolved organic matter (DOM) runoff.

Hypotheses (1), (2) and (3) were answered using a paleolimnological examination. The paleolimnological examination was carried out in August 2020 by collecting a sediment column from Lundebyvann with a Uwitec sediment collector. The sediment column was divided into 59 sediment samples which were analyzed for the heavy metals mercury (Hg), lead (Pb), cadmium (Cd), as well as the element sulfur (S). A paleolimnological study from 2017 examined the content of organic carbon (OC) in the lake and dated the sediments by quantifying the sediment column's content of radioactive cesium (Ce-137), americium (Am-241) and lead (Pb-201). A comparison of the sediment column from 2020 and 2017 showed to similar sediment profiles, whit respect to sedimentation rate. The sediment layers’ date and content of organic material, from the sediment survey conducted in 2017, was therefore used for analyzes in this study. To evaluate the relationship between mercury concentration and possible drivers for altered mercury concentration in the lake, generalized additive models (GAMs) were constructed and a principal component analysis (PCA) were performed. The results from the GAM models and the PCA analysis showed that both sulfur, organic carbon, temperature, and precipitation are variables that can explain the historical development of mercury in the lake sediments. According to the GAM models, the concentration of sulfur and organic carbon, as well as values of annual average temperature and precipitation explains respectively 88.9%, 38.8%, 35.2% and 32.7% of the mercury concentration in the lake sediments. Further, OC- and Hg burial rate showed the same deposition pattern, and periods of increased OC burial resulted in increased Hg burial. Consequently, OC is considered as an important transport vector for Hg to the lake. The OC- and Hg burial rate was relatively constant in the period before 1915. In the period after 1915 the burial rates were characterized by large fluctuations, especially during the period 1915-1985.

Mercury concentration in the sediment deposited before 1915 is considered natural background levels. In the period after 1915, the land use in the lake's catchment changed. The agriculture became more intensive, peat extraction was practiced, and the forest volume increased. These land use changes probably led to periods of increased DOM runoff, which may explain the large fluctuations in the Hg- and OC burial rates in the period 1915-1985. Furthermore, the results showed that the ratio between mercury and organic carbon (Hg/OC), and sulfur and organic carbon (S/OC) in the lake's sediment increased from around 1900 to a peak in 1961, which is in line with emerging industrial activity in Europe. Consequently, long-range transported Hg from Europe is probably the most important source of Hg pollution to Lundebyvann and the associated catchment during the period 1915-1985. In the period after 1985 the Hg- and OC burial rates increases, despite reduced atmospheric deposition of long-range contaminants. The increased Hg burial during this period, is probably due to increased transport of organically bound Hg from the catchment to the lake. Thus, the increased mobilization of Hg after 1985 can be explained by increased OM runoff, probably as a result of declined S deposition, increased forest growth, as well as increased temperature and precipitation.

Therefore, the fluctuating Hg- and OC burial rate in Lundebyvann is likely a result of the interplay between changed land use, decreased S deposition, increased forest growth, as well as increased temperature and precipitation, which are drivers for the Hg-vector organic material that has varied in strength over time.