Location of Repository

Geochemical impacts on the release of silicon within entire watersheds

By Virpi Siipola

Abstract

This thesis focused on the bioreactive pools of silicon (Si) in sediments and phenomena affecting Si release from sediments. There are several potentially mobile pools of Si in sediment, e.g. biogenic Si (BSi), dissolved Si, and adsorbed Si (AdSi). These various Si pools make the investigation of a single pool challenging because of the interference caused by other Si pools. To evaluate the impact different Si pools have on the Si cycle of water ecosystems, it is important to have reliable estimates of the pool sizes. In this thesis, a Bayesian probability model was successfully created to separate two pools of Si, AdSi, and BSi in a catchment area in Southern Finland. The potential correlation between AdSi and BSi was studied to determine whether the size of the AdSi pool could be inferred from the total Si pool (AdSi + BSi). Bayesian inference was also successfully utilized for the explicit separation of different sources of variation caused by measurement imprecision and inter-sample variation. Clear differences were observed between the studied AdSi and BSi pools. The potential error caused by simultaneous extraction of AdSi in BSi determinations was also quantified. The role of land use and vegetation on the Si speciation was also taken into account and seen to affect the amounts of different Si species in sediments. Erosion and nutrient leaching can have large effects on the BSi speciation in water and sediments. The role of phytoliths, amorphous silica originating from plants, was seen as an important Si species to be taken into account in future research and modeling. The effects of anoxia on Si release from sediments were also studied. Because of the chemical similarities with phosphorus (P), the same well-known processes that affect adsorbed P and its release could therefore affect Si and its release. This assumption and the effects of anoxia on AdSi dynamics in surface sediments were addressed by two separate experiments: a sequential extraction for the effects of anoxia on different AdSi fractions and a longer-term release dynamics experiment. The study areas were a small catchment area in Siuntio and the Vantaa River estuary in Southern Finland. Our study showed that anoxia does affect the release of Si. It did not however enhance the release of Si, contrary to the a priori assumption. Silicon also appeared to be released more slowly under anoxic than oxic conditions in most of the studied sediments. The results indicated that anoxia can both increase and decrease Si mobilization. The results were, however, far from clear-cut and more studies are clearly needed to unravel the behavior of Si under anoxic conditions.Tässä väitöskirjassa on tarkasteltu bioreaktiivisia piivarantoja sedimenteissä sekä sedimentteihin sitoutuneen piin (Si) vapautumiseen vaikuttavia ilmiöitä. Sedimenteissä on useita potentiaalisesti vapautuvia piin muotoja, kuten esimerkiksi biogeeninen, liukoinen ja adsorboitunut Si. Yksittäisen muodon tutkiminen on haastavaa johtuen muiden muotojen yhtäaikaisesta vapautumisesta. Jotta voisimme luotettavasti arvioida miten nämä eri piin muodot vaikuttavat vesiekosysteemien piin kiertoon, tarvitsemme luotettavaa tietoa näiden Si-varantojen suuruudesta. Tätä piin muotojen luotettavaa erottelua varten väitöskirjassa luotiin Bayesilainen todennäköisyysmalli, jolla menestyksekkäästi erotettiin adsorboitunut (AdSi) ja biogeeninen (BSi) pii toisistaan, tutkimusalueena valuma-alue Etelä-Suomessa. AdSi ja BSi muotojen välinen korrelaatio tutkittiin, jotta tiedettäisiin voiko AdSi:n määrää ennustaa kokonaispiin määrästä (AdSi+BSi). Myös tuloksiin hajontaa aiheuttavat epävarmuuslähteet pystyttiin yksiselitteisesti tunnistamaan ja tutkittujen piin muotojen välillä havaittiin selviä eroja. Maankäytön ja kasvillisuuden vaikutus eri Si:n muotojen määriin otettiin myös huomioon ja niiden todettiin vaikuttavan eri piin muotojen esiintyvyyteen sedimenteissä. Esimerkiksi eroosio ja ravinteiden huuhtoutuminen voivat vaikuttaa huomattavasti eri BSi:n lajeihin sekä vesissä että sedimenteissä. Kasveista peräisin olevan amorfisen piin eli fytoliittien merkitys todettiin merkittäväksi ja niiden tutkimukseen tulisi tulevaisuudessa panostaa enemmän. Väitöskirjassa tutkittiin myös hapettomuuden vaikutuksia piin vapautumiseen sedimenteistä. Pii ja fosfori esiintyvät sedimenteissä samankaltaisina ligandeina, mistä johtuen samojen vapautumisprosessien voidaan olettaa vaikuttavan niin fosforin kuin piinkin vapautumiseen. Tätä hypoteesia sekä piin vapautumisen dynamiikkaa pintasedimenteissä testattiin kahdella kokeella: AdSi:n fraktiointiuuttomenetelmällä sekä pitkäkestoisemmalla piin vapautumiskokeella. Hapettomuuskokeiden tutkimusalueina oli kaksi aluetta Etelä-Suomessa, valuma-alue Siuntiossa ja Vantaanjoen suu. Hapettomuuden todettiin vaikuttavan piin vapautumiseen, mutta ei sitä lisäävästi, kuten ennalta arvioitiin. Piin todettiin myös enimmäkseen vapautuvan hitaammin hapettomissa kuin hapellisissa oloissa. Hapettomuuden todettiin sekä lisäävän että vähentävän piin liikkuvuutta ja selkeästi lisää tutkimusta hapettomuuden vaikutuksiin tarvitaan edelleen

Topics: maaperä-ja ympäristötiede, maaperä-ja ympäristötiede
Publisher: University of Helsinki
Year: 2017
OAI identifier: oai:helda.helsinki.fi:10138/180151

Suggested articles

Preview


To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.