Biogeochemische processen in meren, rivieren, grondwater

Instituutsdag 4 februari 2011 - UU
Biogeochemische processen
in meren, rivieren, grondwater en de zee
Oostzee
Caroline P. Slomp, Jack Middelburg, Thilo Behrends
Biogeochemie, Faculteit Geowetenschappen
Cycli van C, N, P, Si en spoorelementen
Als voorbeeld:
De mondiale P cyclus
Van micro-organismen tot mondiale schaal
Experimentele studies
Dynamische modellen
Veld studies op het land
en op zee
Begraving van organisch materiaal
Rol van redox-reacties; voorbeeld voor waterbodem & aquifer
Reductie van Fe-(hydr-)oxiden met S(-II)
HS
HS-
FeS
FeS +
+ S(0)
S(0)
-Fe(OH)
-Fe(OH) 33
T. Behrends, K. Hellige, M. Silveira, S. Peiffer
In-situ studie van mechanisme & kinetiek
normalized (E)
1.5
time
1
FeS
-FeOOH
0.5
time
0
7110
7120
7130
energy [eV]
7140
Redox condities bepalen de mobiliteit
van verontreinigingen en nutriënten
U is mobiel in oxisch grondwater
& slaat neer in anoxisch grondwater
Mobiliteit van uranium als functie van
redox: experimenteel onderzoek
Reactor
top/bottom
Extra thick
glass fibre
filter
2 µm
membrane
filter
Sediment
ring
O-ring
EU-6th FP Integrated project
Fundamental Processes of
Radionuclide Migration
De aanwezigheid van nitraat verhoogt de
mobiliteit van U
1e+1
1e+0
Br-
1e-2
plus NO3-
1e-3
plus SO42control
C/C0
1e-1
1e-4
550
650
750
850
950
1e-5
1050 1150 1250
time (h)
Bots, P., Behrends, T. (2008) Mineral. Magazine.73, 381-384
Mobiliteit van fosfaat en stikstof
in grondwater en
uitwisseling met oppervlaktewater
Binding van fosfaat aan
Fe-oxiden
Spiteri, Slomp et al., 2008
Pyriet-oxidatie met nitraat in grondwater
(Oostrum, Limburg)
NO3
Hierbij komt ook
arseen vrij!
SO4
Zhang, Slomp et al., 2009
(Eco-)systeem effecten: Zuurstofloosheid in de Oostzee
toegenomen
stikstof en fosfaat
invoer
gebied met
lage
zuurstof
(maximum)
Arkona
Cyanobacterien
Conley et al. (2009) EST
De rol van ijzer-oxides voor tijdelijk opslag van fosfaat
Seizoenscyclus in
bodemwater zuurstof
Kwantificering
van
belang voor
hele
Oostzee
Tijdelijke opslag P in the sediment
In de winter, verlies in de zomer
Jilbert, Slomp et al., 2011
Biogeosciences Discussions
Sedimenten als een “recorder” van het verleden
Oostzee
Mort, et al, submitted
Vergelijkbare
Trends in
Mo
Verhoogde
regeneratie van
P ten opzicht van
organisch C
Stikstof Kringloop: wie eet wat?
• Opgelost organisch stikstof opname door algen en
bacteriën
• Stikstof kringloop op ecosysteem niveau, inclusief
bestudering alle processen met behulp van modellen en
isotopen.
– Meertjes, rivieren, estuaria, wetlands, zee
Koolstof cyclus in wetlands
• Primaire productie, allochtoon materiaal en
methanotrophie als voedselbron voor consumers in
zoetwater ecosystemen (meren, wetlands, rivieren):
– China, USA, Zwitserland (2.5 promovendi)
• Ontrafelen voedselweb interacties mbv organische
moleculen (biomarkers), stabiele isotopen en
component-specifieke isotopen analyse
– Essentieel vs. niet essentieel (amino zuren, vetzuren)
– Quantitatieve voedselweb analyse
Rol van wetlands in mondiale C
kringloop
Si cyclus
Nieuwe technieken: bijv. NanoSIMS
• Submicron schaal
isotoopmetingen
• Mogelijkheid om identiteit
van organismen aan
activiteit te linken:
– N assimilatie:
bacterien of algen
– Groeisnelheid
individuele algen.
15N
13C
Samenvatting
• Onze biogeochemische “toolbox” bevat vele methoden om
de cycli van elementen in riveren, meren, grondwater en de
zee in detail te ontrafelen & te kwantificeren.
• Veel aandacht in Utrecht voor:
– Rol van redox condities
– Voedselweb (isotope tracers)
– (Eco-)systeem effecten
– Combinatie veld – experimenteel - modelleer onderzoek
• Welkom voor discussie en rondleiding door geochemische
laboratoria bij het Departement Aardwetenschappen