Photochemical transformation of dissolved organic matter in aquatic environment : From a boreal lake and Baltic Sea to global coastal ocean

As dissolved organic matter (DOM) constitutes a vast reservoir of carbon and nutrients in lakes, rivers and ocean, it plays an important role in the global carbon and nutrient cycles. Only a part of DOM is directly biologically utilizable by bacteria, but solar radiation induced photochemical reactions may mineralize DOM to inorganic forms such as dissolved inorganic carbon (DIC) and ammonium (NH4+), and also degrade non-labile DOM molecules to labile organic substrates available for bacteria. This dissertation examined the photochemical transformation of DOM in the surface water in different scales of aquatic environments; from a Finnish boreal lake and the Baltic Sea to the coastal areas of ten globally big rivers. This dissertation studied photochemical reactions such as photoproduction of DIC, NH4+, and labile substrates supporting bacterial growth, and determined the photoreactivity of DOM, i.e., apparent quantum yields for the photoreactions in each environment. To consider the relevance of photochemistry of DOM, an optical model was used to quantify the photoreaction rates taking into account for the determined photoreactivity of DOM and solar radiation incidental to each environment studied. In the Baltic Sea, the pelagic heterotrophic bacterioplankton was carbon-limited indicating low bioavailability of DOM in the surface water. Irradiations of the waters with natural or simulated solar light resulted in photobleaching of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) and phototransformation of DOM to DIC and NH4+ as well as to labile DOM substrates. This dissertation showed that across the entire Baltic Sea, the annual photoproduction of NH4+ corresponded to 9 18% of the annual river loading of DON, but the photoproduction of DIC exceeded the annual river loading of photoreactive terrigenous DOC. Furthermore, the studies along the salinity transects indicated that terrigenous DOC was more photoreactive than marine DOC but the marine DON was more reactive than terrigenous DON. The photoproduced labile substrates supported bacterial production and biomass leading to a 3-level trophic transfer of non-labile DOM and a simultaneous stimulation of autotrophic algae and primary production. The annual amount of photostimulated bacterial biomass corresponded to 3 5% of total bacterial biomass across the entire Baltic Sea. In the Baltic Sea as well as in the mesohumic lake studied, the photolytic water layer was shallow and limited the phototransformation of DOM to the top 30 cm. In the global scale, the annual DIC photoproduction from terrigenous CDOM in front of the ten rivers studied (12.5 ± 2.1 Tg C y-1) corresponded to 18 ± 4% of annual flux of terrigenous DOC of the rivers. When extrapolated to a global estimate, 44.5 ± 10.6 Tg of terrigenous DOC was annually mineralized to DIC by solar radiation in coastal waters. Globally, the amount of photomineralization of terrigenous DOC was larger in coastal ocean than in lakes and reservoirs. However, the areal rates of DIC photoproduction were larger in the lakes and reservoirs than in the coastal waters indicating that phototransformation of terrigenous DOC was likely limited by relatively short residence times in inland waters. To conclude, the phototransformation in coastal waters formed the final sink for riverine terrigenous CDOM and DOC, but was restricted in general, to a few hundred kilometres from river mouths to the ocean with the exception of largest discharging rivers.Liuennutta orgaanista ainetta (dissolved organic matter, DOM), ml. humusaineet, kulkeutuu vesistöihin valuma-alueelta mm. luonnonhuuhtouman mukana, minkä lisäksi sitä syntyy vesieliöiden toiminnan seurauksena vesistöissä. Maailmanlaajuisesti tarkastellen merien, järvien ja jokivesien DOM muodostaa merkittävän orgaanisen hiilen ja typen varaston, ja siten sen dynamiikan ja hajoamisen ymmärtäminen on olennaista hiilen ja ravinteiden kierron kannalta. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli selvittää ja mitata prosesseja, jotka hajottavat DOMia luonnonvesissä (valokemiallinen ja mikrobiologinen hajoaminen), sekä mallinnuksen avulla arvioida DOMin hajoamisen merkitystä erilaisissa vesiympäristöissä. Tutkimusalueina olivat Lammin Pääjärvi, Itämeri sekä jokisuualueet kymmenestä suuresta joesta (Mississippi, Amazon, Kongo, Paraná, Yantgze, Mekong, Ganges-Brahmaputra, Lena, Tonava ja St. Lawrence). Liuennut orgaaninen aine voi hajota vesistöissä joko biologisesti bakteeritoiminnan seurauksena tai valokemiallisesti auringon säteilyn, erityisesti UV-säteilyn, vaikutuksesta. Useimmiten DOM-yhdisteet ovat niin monimutkaisia ja heikosti biologisesti käyttökelpoisia, että ainoastaan valokemialliset reaktiot voivat hajottaa niitä. Toisaalta valokemiallisia hajotusreaktioita voi tapahtua vain esimerkiksi järven tai meren valaistussa pintavesikerroksessa, joka väitöskirjassa tutkitussa järvessä sekä Itämerellä rajoittui ylimpään 30 cm:iin. Auringon säteily voi muuntaa DOMin sisältämän orgaanisen typen esim. leville käyttökelpoiseen muotoon (ammoniumtypeksi) ja orgaanisen hiilen joko hiilidioksidiksi tai pienemmiksi orgaanisiksi yhdisteiksi, jotka ovat käyttökelpoisia bakteereille. Osa bakteerien käyttämästä hiilestä muuntuu bakteerihengityksen kautta edelleen hiilidioksidiksi ja osa bakteeribiomassaksi, joka siirtyy bakteereja syövien siimaeliöiden kautta osaksi ylempää ravintoverkkoa. Tässä väitöskirjassa havaittiin, että valokemiallisten reaktioiden tuottamat bakteereille käyttökelpoiset hiiliyhdisteet lisäsivät bakteerien kasvun lisäksi myös siimaeliöiden sekä niitä laiduntavien ripsieläinten biomassaa Itämerellä. Valokemiallisesti tuotettu typpi puolestaan lisäsi planktonlevien kasvua. Väitöskirjassa arvioitiin, että koko Itämeren alueella valokemia hajotti vuodessa orgaanista hiiltä hiilidioksidiksi määrällisesti enemmän kuin joet vuosittain kuljettavat DOMia valuma-alueelta Itämereen. Orgaanisen typen valokemiallinen hajoaminen puolestaan vastasi 9-18 % vuosittaisesta liuenneen orgaanisen typen jokikuormituksesta ja saattaa siten muodostaa merkittävän typenlähteen typpirajoitteisille leville Itämerellä. Väitöskirjassa tarkasteltujen suurten jokien mereen kuljettamasta DOM-kuormasta 14-22 % hajosi hiilidioksidiksi valokemian seurauksena. Maailmanlaajuinen arvio jokivesien mereen kuljettaman orgaanisen hiilen kohtalosta osoitti, että maalta mereen kulkeutunut aines hajoaa jo rannikkovesialueella. Jokivesien vaikutus ulottuu keskimäärin korkeintaan noin 500 km etäisyydelle rannasta, lukuun ottamatta suurimpia DOMia kuljettavia jokia (Amazon ja Kongo) sekä Jäämerelle laskevaa jokea (Lena), jossa valaistusolot rajoittavat DOMin valokemiallista hajoamista

Photochemical Mineralization of Terrigenous DOC to Dissolved Inorganic Carbon in Ocean

When terrigenous dissolved organic carbon (tDOC) rich in chromophoric dissolved organic matter (tCDOM) enters the ocean, solar radiation mineralizes it partially into dissolved inorganic carbon (DIC). This study addresses the amount and the rates of DIC photoproduction from tDOC and the area of ocean required to photomineralize tDOC. We collected water samples from 10 major rivers, mixed them with artificial seawater, and irradiated them with simulated solar radiation to measure DIC photoproduction and the photobleaching of tCDOM. The linear relationship between DIC photoproduction and tCDOM photobleaching was used to estimate the amount of photoproduced DIC from the tCDOM fluxes of the study rivers. Solar radiation was estimated to mineralize 12.5 +/- 3.7 Tg C yr(-1) (10 rivers)(-1) or 18 +/- 8% of tDOC flux. The irradiation experiments also approximated typical apparent spectral quantum yields for DIC photoproduction (phi(lambda)) over the entire lifetime of the tCDOM. Based on phi(lambda)s and the local solar irradiances in river plumes, the annual areal DIC photoproduction rates from tDOC were calculated to range from 52 +/- 4 (Lena River) to 157 +/- 2 mmol C m(-2) yr(-1) (Mississippi River). When the amount of photoproduced DIC was divided by the areal rate, 9.6 +/- 2.5 x 10(6) km(2) of ocean was required for the photomineralization of tDOC from the study rivers. Extrapolation to the global tDOC flux yields 45 (31-58) Tg of photoproduced DIC per year in the river plumes that cover 34 (25-43) x 10(6) km(2) of the ocean.Peer reviewe

Sammutusjätevesien hallinta ja niiden ympäristövaikutukset

Tässä selvityksessä tarkasteltiin sammutusjätevesiin liittyviä ympäristönsuojelukysymyksiä. Selvitys laadittiin Hämeen ELY-keskuksessa. Hankkeessa tarkasteltiin sammutusjätevesien ympäristövaikutuksia ja hallintaa. Hankkeen tavoitteena oli koota yhteen ja jäsentää sammutusjätevesiin liittyvää lainsäädäntöä ja ohjeistusta sekä selvittää sammutusjätevesien hallinnan kokonaistilannetta ja eri viranomaisten rooleja sammutusjätevesien hallinnassa. Erityiskysymyksenä tarkasteltiin sammutusvaahtojen käyttöä ja ympäristövaikutuksia. Hanke toteutettiin kolmena osahankkeena, joiden tulokset koottiin yhteen tähän selvitykseen. Sammutusjätevesien hallintaa koskevaa lainsäädäntöä ja ohjeistusta selvitettiin kirjallisuuskatsauksen avulla. Sammutusjätevesien ympäristövaikutuksia selvitettiin tapahtuneiden onnettomuuksien ympäristöraporttien perusteella. Sammutusvaahtojen ympäristövaikutuksia selvitettiin kirjallisuuskatsauksella ja sammutusvaahdoista otettujen näytteiden avulla. Hankkeen aikana toteutettiin kolme erillistä kyselytutkimusta. Eri viranomaisille (ELY, AVI, Tukes ja kunnat) ja toiminnanharjoittajille suunnatulla kyselyllä selvitettiin viranomaisten ja toiminnanharjoittajien tietämystä sammutusjätevesien hallintaa koskevasta lainsäädännöstä ja ohjeistuksesta sekä mielipiteitä sammutusjätevesien hallintasuunnitelman sisältöön, ohjeistukseen ja valvontaan liittyviin erityiskysymyksiin. Hankkeen toisella, pelastuslaitokselle suunnatulla kyselytutkimuksella selvitettiin pelastuslaitoksen näkökulmaa ja roolia sammutusjätevesien hallinnassa ja ohjeistuksessa. Hankeen kolmannella, sammutusvaahtojen maahantuojille, myyville ja asentaville yrityksille suunnatulla kyselytutkimuksella pyrittiin selvittämään Suomessa käytössä olevia sammutusvaahtoja