Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

High levels of Hg in fish in Swedish lakes have been a problem along time in Sweden. The major concern is production and accumulation of the most toxic form of mercury; methyl mercury (MeHg). Consequently, in about half of our 83 000 lakes fish contain concentrations above the recommended limit for human consumption of 0,5 mg mercury per kg fresh weight (most of it in the form of MeHg). Consumption of fish containing too high levels of MeHg may cause problems for both humans and animals.

Three major sources of MeHg in surface waters are: 1) runoff from terrestrial areas, 2) deposition from the atmosphere, and 3) internal production of MeHg in lakes and streams. The aim of this study was to investigate the effect of clear-cutting on the concentration of Hg and MeHg into draining streams. Increased Hg export is due to an increased mobilization of complexes associated with inorganic sulphides and/or dissolved organic matter (DOM), whereas increase in MeHg concentrations may in addition be due to an enhanced production in soils of clear-cut areas. The latter process is called methylation and mediated by sulphate and iron reducing bacteria (SRB and FeRB, respectively). The activites of SRB and FeRB may be limited by the presence of sulphate and iron (III), respectively. In terrestrial systems above the highest coast line (HCL) sulphate is supposedly less available than iron (III). This is because soils high in FeS (s) (that is oxidized to sulphate) are found only below the HCL. Therefore selection of clear-cuts above and below the HCL was one major focus in this study. It could be hypothesized that if MeHg net production is mainly related to the activity of SRB, clear-cuts below the HCL may be more of a problem (causing a high net production of MeHg due to a presumably higher availability of sulphur in soils) than clear-cuts above the HCL.

In the study 24 clear-cuts and 4 reference sites above and 25 clear-cuts and 6 reference sites below HCL were selected. All clear-cuts were at least covered by 70% Picea abies prior to harvest and the references were all mature (> 70 years) Picea abies stands. Streams originating within the clear-cut and draining most of its area were sampled during 2-week period in September and October 2007. Single-factor ANOVA and Two-tailed Dunnett´s test were used to statistically evaluate the results. As expected, concentrations of sulphate were significantly higher below as compared to above the HCL (p=0.004), when all sites (including references) were compared. No significant differences were observed for concentrations of DOC, Fe and Hg above and below HCL. Interestingly enough, concentrations of MeHg (absolute or normalized to Hg or DOC) were significantly higher above the HCL (p<0.03). This result suggests that MeHg was either mobilized and/or produced at higher extent above the HCL.

When all sites were compared (independent on their position in relation to the HCL), the concentrations of MeHg (absolute and normalized to DOC) and Hg (normalized to DOC) was significantly (p<0.01) higher in streams draining 0-4 years-old clear-cuts than in reference stands. Concentrations of Hg-tot were significantly higher at p<0.05. The only ancillary parameter which showed a statistic significance was the C/N-ratio, which was lower (p<0.01) in the 0-4 year-old clear-cuts. The lower C/N ratio may indicate a contribution from biomass (microorganisms) and low-molecular-weight organic molecules in the streams of the young clear-cuts. If so, the high MeHg concentrations may be due to a higher availability of energy-rich electron-donators to SRB and FeRB at the youngest clear-cuts.

When only sites above the HCL were considered, concentrations of MeHg were significantly higher in streams draining 0-4 years old clear-cuts (p<0.01 for absolute concentrations and p<0.05 when normalized to Hg or DOC), as compared to the references. For the older clear-cuts (4-10 years after harvest) no statistical differences were observed in relation to the references. Below the HCL no significant differences at p<0.05 were observed. It cannot with certainty be resolved whether an increased mobilization or a net-production of MeHg (or both processes) caused the enhanced concentrations of MeHg at 0-4 years-old clear-cuts, as compared to the references.

Concentrations of inorganic Hg and Fe were significantly correlated to DOC, which is expected given the very strong complexation of Hg and Fe(III) to organic matter under oxidized conditions. The Hg/DOC ratio may be taken as a measure of Hg mobilized in the soil together with inorganic sulphides. Similarly, the Fe/DOC ratio may be taken as an estimate of Fe(II) (an indirect measure of the activity of FeRB). MeHg was only weakly correlated to DOC, indicating that a net production of MeHg was contributing to the concentration of MeHg in streams of young clear-cuts. This assumption was further corroborated by significant relationships between MeHg and the Fe/DOC ratio in streams.

Correlations observed between MeHg and Fe/DOC (significantly, positive) and sulphate (weakly negative) indicate that FeRB may play a larger role than previously recognized. If that is correct, the focus on low-lying terrain susceptible to sulphate reduction as problematic soils after clear-cut should be modified to include more well-drained soils that after a clear-cut get intermediately reduced (so called sub-oxic conditions). Further research is needed to establish the relative importance of iron(III) and sulphate reducing conditions for MeHg production and export as a consequence of forestry activities. Not until these issues are resolved, recommendations on how to modify forestry practices to minimize the negative effects on Hg biogeochemistry and MeHg accumulation in fish cannot be established.

Höga halter av kvicksilver i fisk i svenska sjöar har länge varit ett problem i Sverige. Ungefär hälften av våra 83 000 sjöar innehåller fisk med koncentrationer som överstiger den rekommenderade nivån för regelbunden konsumtion om 0,5 mg Hg/kg (färskvikt). Den kvicksilverform som är det största problemet för levande organismer är metylkvicksilver (MeHg). Konsumtionen av fisk innehållande höga halter av MeHg kan orsaka problem för både människor och djur. De tre största källorna av MeHg till ytvatten är avrinning från mark, deposition från atmosfären samt intern produktion i vatten och sediment. Export av Hg och MeHg från mark kan dessutom ha en grund i skogsbruksaktiviteter. Syftet med föreliggande studie var att undersöka trakthyggesbrukets inverkan på halterna Hg och MeHg i avrinnande vatten. Medan oorganiskt kvicksilver (Hg) är starkt associerat till löst organiskt material (DOM) i avrinnande vatten, påverkas exporten av MeHg även av en produktion i marken (metyleringsprocesser), som direkt eller indirekt kan påverkas av skogsbruk. Metyleringsprocessen, orsakas av sulfat- och järnreducerande bakterier (SRB och FeRB), vilkas aktivitet bland annat begränsas av mängden tillgänglig sulfat respektive järn(III). I markområden belägna över högsta kustlinjen (HK) kan tillgängligheten av sulfat förmodas vara lägre än för järn(III), i förhållande till områden belägna under HK. Med detta resonamang som grund valdes i denna studie objekt belägna både över och under HK. Hypotesen var att om nettoproduktionen av MeHg är relaterad till aktiviteten hos SRB, så kan hyggen under HK orsaka större problem med MeHg bildning än hyggen belägna över HK. I undersökningen valdes 24 hyggen och 4 referenser (mogna bestånd) över HK samt 25 hyggen och 6 referenser under HK. Referensbestånden bestod av minst 70 % gran Picea abies, och lika så hyggena innan avverkning. Provtagningen utfördes under en två-veckors period (september-oktober 2007) i bäckar som hade sin tillrinning inom objekten och som dränerade större delen av arealen. En-vägs ANOVA följt av two-tailed Dunnet´s test (jämförelse mellan var och en av de två hyggesklasserna 0-4 och 4-10 år och referensbestånden) användes för att statistiskt utvärdera resultaten. Som väntat var halten sulfat signifikant högre i bäckar under HK (p=0,004) när alla objekt jämfördes. Ingen signifikant skillnad observerades däremot för DOC, Fe och Hg, emellan objekt över och under HK. Däremot var halten MeHg (absolut och normaliserad mot Hg eller DOC) signifikant högre i bäckar över HK (p<0,03). Resultatet visar att MeHg antingen mobiliserades och/eller producerades i högre utsträckning över HK. Beaktande av samtliga objekt (oberoende av lokalisering i förhållande till HK), var halterna MeHg (absolut och normaliserat mot DOC) och Hg (normaliserat mot DOC) signifikant (p<0,01) högre i avrinningen från yngre hyggen (0-4 år), jämfört med referenserna. C/N-kvoten var signifikant lägre (p<0.01), vilket indikerar att det organiska materialet genomgått en förändring (delvis p g a bidrag från hyggesrester) i samband med hyggesupptagningen. Tillgång på mer lättillgängliga energirika elektrondonatorer, och därmed en ökad mikrobiell aktivitet (SRB och FeRB) på yngre hyggen, skulle kunna vara en del av förklaringen till förhöjda halter av MeHg.
När endast objekt över HK beaktades var halterna MeHg signifikant högre i avrinningen från yngre hyggen (p<0,01 för den absoluta halten och p<0,05 när normaliserat mot Hg och DOC) i förhållande till referenserna. För äldre hyggen (4-10 år) kunde ingen signifikant skillnad observeras gentemot referenserna. Under HK kunde ingen signifikantskillnad observeras på signifikansnivån p<0,05. Det kan inte med säkerhet avgöras om en ökad mobilisering eller en högre nettoproduktion (eller båda) orsakar den högre halten av MeHg från de yngre hyggena i förhållande till referenserna. Halterna oorganiskt Hg och Fe var signifikant korrelerade i förhållande till DOC, vilket var väntat beroende på de starka komplexbindningarna av Hg och Fe(III) till organiskt material under oxiderande förhållanden. Variation av kvoten Hg/DOC kan bedömas vara en uppskattning av Hg mobiliserat i marken tillsammans med oorganiska sulfider. På liknande sätt kan variationer i kvoten Fe/DOC antas vara ett mått på halten Fe(II), vilket dessutom är ett indirekt mått på aktiviteten hos FeRB. MeHg var endast svagt korrelerad mot DOC, vilket indikerar på att en nettoproduktion av MeHg bidrar till halterna MeHg i avrinningen i bäckarna från hyggena. Detta antagande stärktes av det signifikanta förhållandet mellan MeHg och Fe/DOC i bäckvattnet. Korrelationen mellan MeHg och Fe/DOC (signifikant positivt) och sulfat (svagt negativt) indikerar att FeRB kan spela en större roll än vad tidigare antagits. Detta kan komma att förändra fokus från låglandsterräng och sulfareduktion till att även innefatta mer väldränerade jordar där sub-oxiska [svagt reducerande förhållanden under reduktion av Fe(III) till Fe(II)] förhållanden kan uppkomma som en effekt av stigande grundvattenyta samt markkompaktering i samband med avverkning. Fortsatt forskning är nödvändig för att fastställa den relativa påverkan från FeRB och SRB för produktionen och den mobilisering som orsakas av skogsbrukets aktiviteter. Först när dessa frågor är besvarade kan rekommendationer ges för hur det är möjligt att minimera den negativa effekten på Hg biogeokemi och MeHg ackumulering i fisk.