Organic matter decomposition and mercury mobilization in thawing subarctic permafrost peat plateaus

Abstract

Mercury (Hg) is a highly potent neurotoxin which is naturally present in the environment. A vast amount of the global Hg is stored in Arctic permafrost soils, immobilized by complexation with organic matter (OM). With an increasingly warmer climate, 37-81% of the near surface permafrost in the Northern Hemisphere is estimated to be lost by the end of the century. Since previously frozen permafrost OM is prone to degradation, the fate of the currently immobilized Hg is of concern. Release of Hg bound to dissolved organic carbon (DOC) into surface waters is one possible fate. Once released to surface waters, Hg may be subject to enhanced rates of methylation with potentially detrimental effects to northern fisheries, human populations, and ecosystems. Another possible fate is reduction and revolatalization back to the atmosphere. To assess pools of Hg in permafrost and their potential for mobilization with permafrost thaw and OM degradation, three permafrost peat plateaus along a coast to inland gradient in the Norwegian Subarctic were sampled. Peat and water samples were analyzed for chemical properties including total Hg content. Selected peat samples were further used in 70–108-day incubation experiments to investigate the potential release of Hg after permafrost thaw and its coupling to OM degradation under defined conditions (availability of O2, SO42-, essential nutrients) at 10ºC.

The vertical and lateral distribution of Hg in peat plateaus varied greatly between sites depending on the geohydrological conditions during formation. Concentrations of Hg were generally highest in the top layers, likely reflecting anthropogenically driven atmospheric deposition since the Industrial Revolution. Anoxically incubated samples from the top of the active layer generally showed the highest rates of Hg mobilization to water, suggesting that collapse of peat plateaus followed by thermokarst formation submerging the AL in situ plays an important role for Hg mobilization from Nordic peat plateaus. Additionally, decreasing Hg:C ratios across a transect from active layer to thermokarst sediment suggest loss of Hg, possibly due to volatilization of elemental Hg. Secondary emission of Hg from peat plateaus can possibly counteract recent efforts to minimize Hg concentrations in the environment.

Kvikksølv (Hg) er et giftig grunnstoff som finnes naturlig i varierende mengder i miljøer. En betydelig andel av verdens Hg er lagret i arktisk permafrost og immobilisert av binding med organisk materiale (OM). I et stadig varmere klima er 37-81% av all permafrost nær overflaten på den nordlige halvkule forventet å forsvinne innen slutten av dette århundre. Siden OM fra tidligere frosset permafrost er tilgjengelig for degradering, kan tining av permafrost føre til mobilisering av bundet Hg. Utslipp av Hg bundet til løst organisk karbon (DOC) i overflatevann er et mulig utfall. Kvikksølv sluppet ut i overflatevann kan deretter bli metylert, med potensielt skadelige virkninger på arktiske fiskerier, populasjoner og økosystem. Et annet mulig utfall er reduksjon til Hg0 og fordampning tilbake til atmosfæren. For å undersøke lagre av Hg i subarktisk permafrost, og dens potensiale for mobilisering med tining og degradering av OM, ble prøver tatt fra tre subarktiske torvplatå. Torvplatåene var spredt langs en gradient fra kyst til innland i Finnmark, Norge. Kjemiske egenskaper og sammensetning ble analysert i både torv og vannprøver. Utvalgte torvprøver ble brukt i 70-108 dagers inkubasjonseksperimenter for å utforske potensiell frigjøring av Hg etter tining av permafrost og dens sammenheng med degradering av OM under definerte forhold (tilgjengelighet av O2, SO4 2-, essensielle næringsstoffer) ved 10ºC. Den vertikale og laterale fordelingen av Hg i torvplatå viste store variasjoner mellom steder, avhengig av geohydrologiske forhold ved formasjon. Konsentrasjoner av Hg var generelt høyest i topplagene, som trolig er en gjenspeiling av økt antropogent utslipp siden den industrielle revolusjonen. Prøver fra topplagene inkubert anoksisk viste generelt de høyeste ratene av Hg mobilisering til vann. Dette tilsier at vannmetning av permafrost torv ved innsynkning og formasjon av termokarsdammer som oversvømmer topplaget kan spille en viktig rolle for mobilisering av Hg i nordiske torvplatå. Videre viste et transekt fra topplaget av torvplatå til termokarstsediment minkende Hg:C forhold som kan tyde på tap av Hg, muligens via reduksjon og fordampning. Sekundærutslipp av Hg fra torvplatå kan være til hinder for nylig inngåtte konvensjoner for å minimere Hg konsentrasjoner i miljøet.