Warming Can Boost Denitrification Disproportionately Due to Altered Oxygen Dynamics

Background: Global warming and the alteration of the global nitrogen cycle are major anthropogenic threats to the environment. Denitrification, the biological conversion of nitrate to gaseous nitrogen, removes a substantial fraction of the nitrogen from aquatic ecosystems, and can therefore help to reduce eutrophication effects. However, potential responses of denitrification to warming are poorly understood. Although several studies have reported increased denitrification rates with rising temperature, the impact of temperature on denitrification seems to vary widely between systems. Methodology/Principal Findings: We explored the effects of warming on denitrification rates using microcosm experiments, field measurements and a simple model approach. Our results suggest that a three degree temperature rise will double denitrification rates. By performing experiments at fixed oxygen concentrations as well as with oxygen concentrations varying freely with temperature, we demonstrate that this strong temperature dependence of denitrification can be explained by a systematic decrease of oxygen concentrations with rising temperature. Warming decreases oxygen concentrations due to reduced solubility, and more importantly, because respiration rates rise more steeply with temperature than photosynthesis. Conclusions/Significance: Our results show that denitrification rates in aquatic ecosystems are strongly temperature dependent, and that this is amplified by the temperature dependencies of photosynthesis and respiration. Our result

Reservoirs as a source of greenhouse gases emission

Obserwowane w ostatnich latach globalne ocieplenie klimatu stymuluje badania dotyczące emisji gazów szklarniowych do atmosfery zarówno ze środowisk wodnych, jak i lądowych. Za główną przyczynę efektu cieplarnianego uważa się nadmierną emisję CO2 i CH4 . Nie ma wątpliwości, że oceany pełnią kluczową rolę w globalnej wymianie gazów, ale istnieją też mocne dowody, że wody śródlądowe (zwłaszcza zbiorniki zaporowe) mogą odgrywać nieproporcjonalną do swej wielkości rolę w globalnej dynamice gazów szklarniowych. Zachodzące w zbiornikach zaporowych procesy rozkładu materii organicznej są bowiem źródłem emisji dwóch głównych gazów szklarniowych: metanu i ditlenku węgla. Oszacowano, że ok. 7% gazów szklarniowych emitowanych ze źródeł antropogenicznych stanowią gazy węglowe emitowane ze zbiorników zaporowych. W pracy zebrano informacje dotyczące emisji węglowych gazów szklarniowych ze zbiorników zaporowych w różnych strefach klimatycznych. Opisano mechanizmy tworzenia, ścieżki transportu oraz główne przemiany tych gazów w ekosystemach słodkowodnych.In aspect of global warming, scientists conducting intensive research on greenhouse gas emissions into the atmosphere from both aquatic and terrestrial environments. Excessive emissions of CO2 and CH4 are considered as the main cause of the greenhouse effect. There is no doubt that the oceans play a key role in the global exchange of gases, but there are also strong evidences that inland waters (particularly reservoirs) may play a disproportionate to their size role in the global dynamic of greenhouse gases. During the impoundment dam reservoir a certain area of land covered with vegetation is flooded, and in existing reservoir, organic matter is produced in the process of primary production and delivered from the catchment. The collected organic material dies, shall be deposited in the bottom sediments, where it is decomposed by bacteria. Depending on the oxygen conditions, CO2 or CO2 and CH4 are the end product of decomposition. Because during transport of gases to the interface water - atmosphere they are transformed microbiologically, the amount of greenhouse gases released from the sediment is not equal to the size of the emitted into the atmosphere. It was estimated that approximately 7% of greenhouse gas carbon emissions from anthropogenic sources are the gases emitted from reservoirs. The most information in the literature on greenhouse gas emissions from reservoirs, concerns reservoirs which are located in tropical and boreal climatic zone. The few reports on the temperate zone. The results show that both CO2 and CH4 emissions from boreal reservoirs are small compared to the ones in the tropics. This is certainly due to the water temperature. Besides the huge difference of emissions in different climate zones also between reservoirs in the same climatic zone the differences in the greenhouse gas emissions can be significant. This indicates that there are other factors that significantly regulate greenhouse gas emissions from reservoirs into the atmosphere. These are: the content and type of organic matter deposited in the bottom sediments and the reservoir age. Hydroelectric reservoirs have long been considered as "clean" energy source. However, some scientists prove that hydropower is a significant contributor to greenhouse gas emissions and is not "climate-friendly". The results of calculations indicate that the impact of a modern gas plant on the warming is greater than high-emission boreal reservoir, but the tropical reservoir can have tens of times greater impact on the global warming than the gas plant. In this work the information about the carbon greenhouse gases emissions from reservoirs in different climatic zones is collected. The mechanisms of the formation, transport pathways and main transformation of these gases in freshwater ecosystems were described

Supplementary data related to the reseach on Vertical Diversification of Methane Production Pathways in Freshwater Sediments of Reservoirs. Case Nielisz Reservoir, Poland

The file contains data on selected parameters of pore water and sediments, which can be used to determine the methan production pathways in sediment of reservoir

Indicators of origin and directions of transformation of organic matter in sediments of water reservoirs

W osadach dennych zbiorników wodnych gromadzi się materia organiczna pochodzenia autochtonicznego i allochtonicznego. Pochodzenie materii organicznej można opisać za pomocą wskaźników, do których należą: skład izotopowy węgla δ13C i azotu δ15N, iloraz C:N, biomarkery lipidowe oraz pigmenty roślinne. Izotopy węgla i azotu występują powszechnie w środowisku w dużych ilościach. Stężenia mierzonych izotopów można opisać za pomocą delty (δ), wyrażanej w promilach [‰]. Materia organiczna pochodzenia lądowego jest zubożona w izotop 13C w porównaniu do materii organicznej pochodzenia autochtonicznego. Wskaźnik δ13C ulega zmianie podczas sedymentacji, mineralizacji oraz transformacji materii organicznej w środowisku wodnym. Natomiast wartość δ15N zmienia się w zależności od przebiegu procesów denitryfikacji i odgazowania amoniaku. Materia organiczna jest również zróżnicowana pod względem stosunku C:N, gdzie dla autochtonicznej materii organicznej osiąga wartości mniejsze w porównaniu do materii pochodzenia allochtonicznego. Z kolei biomarkery lipidowe stanowią ważną grupę związków uznawanych za substancje wskaźnikowe, gdyż nie ulegają przeobrażeniom na przestrzeni lat. Stąd też wykorzystuje się je w badaniach ekologicznych i paleoekologicznych. Podobne właściwości wykazuje kolejna grupa biomarkerów, do której należą pigmenty roślinne. Dzielą się na trzy rodzaje: chlorofile, karotenoidy i fikobiliny. Analiza zawartości i składu materii organicznej w osadach dennych zbiorników wodnych za pomocą wskaźników jest skuteczną metodą pozwalającą na ocenę pochodzenia materii organicznej oraz produktywności biologicznej akwenów. Na podstawie wielkości rozkładu i stopnia zachowania wskaźników w osadach można wyznaczyć warunki środowiskowe panujące w zbiornikach wodnych w przeszłości. W artykule scharakteryzowano poszczególne wskaźniki pochodzenia materii organicznej i możliwości interpretacji w badaniach zbiorników wodnych.Autochthonous and allochthonous organic matter is accumulated in sediments of water reservoirs. Organic matter can be described as indicators, such as: isotopic signatures of δ13C and δ15N, C:N ratio, lipid biomarkers and plant pigments. A large amount of carbon and nitrogen isotopes widely occur in the environment. Concentrations of the measured isotopes can be described with δ delta, expressed in ‰. Allochthonous organic matter is depleted in 13C isotope in comparison to autochtchonous organic matter. δ15N value changes according to denitrification process and ammonia degasification. Organic matter is also diverse in terms of C:N ratio and for autochthonous organic matter achieves values less than for allochthonous organic matter. Lipid biomarkers form an important group of compounds which are considered as indicators, because they do not undergo any transformation over the years. Thus they are used in ecological and paleoecological research. Another group of biomarkers to which plant pigments belongs has similar properties. Plant pigments are divided into three types: chlorophylls, carotenoids and phycobilins. Organic matter content and composition analysis in sediments of water reservoirs with indicators is an effective method which allows to assess organic matter origin and biological productivity of water reservoirs. On the basis of decomposition level and degree of conservation of indicators in sediments we can determine environmental conditions in water reservoirs in the past. In this scientific paper, particular indicators of organic matter origin and possibilities of interpretation in water ecosystem research were characterized

Analysis of the Desludging Effectiveness of the Cierpisz and Kamionka Reservoirs as an Effective Method of the Eutrophic Ecosystems Recultivation

Odmulanie zbiornika jest jego jednoczesnym pogłębieniem i polega na usunięciu z jego czaszy nagromadzonych przez lata osadów dennych. Jest to najczęściej stosowana metoda rekultywacji płytkich, silnie zdegradowanych zbiorników małej retencji. Obiektami badawczymi były dwa zbiorniki małej retencji utworzone na rzece Tuszymka Duża na Podkarpaciu. Zbiornik wodny w Cierpiszu (o pojemności 22 tyś m3) powstał w roku 1953 i był poddany odmulaniu w roku 1990, natomiast zbiornik wodny w Kamionce (o pojemności 105 tyś m3) powstał w roku 1957 i został zmodernizowany oraz odmulony w roku 2007. Badania prowadzono w dwóch sezonach wegetacyjnych lat 2013 i 2014. Próbki wody i osadów dennych pobrano czterokrotnie w 2013 roku oraz pięciokrotnie w 2014 roku z 2 stanowisk badawczych na zbiorniku Cierpisz i 3 stanowisk badawczych na zbiorniku Kamionka. Zarówno w zbiorniku Kamionka, jak i w zbiorniku Cierpisz pomimo zaawansowanej eutrofizacji wód osady denne były bardzo ubogie pod względem zawartości materii organicznej, fosforu i azotu. Również zanieczyszczenie osadów metalami ciężkimi było umiarkowane i za wyjątkiem kadmu, chromu i ołowiu nie przekraczało tła geochemicznego. Ogólnie niska zawartość fosforu i materii organicznej nie wskazuje na możliwość występowania zasilania wewnętrznego toni wodnej i wpływu osadów na postęp procesu eutrofizacji w obu zbiornikach. Ilość nagromadzonych substancji w osadach obu zbiorników była nieco zróżnicowana i nie było to powiązane z okresem odmulania, lecz z oddziaływaniem antropogenicznym zlewni i warunkami hydrologicznymi.Reservoir desludging is its simultaneous deepening and involves the removal of the accumulated over the years sediments from the bowl. It is the most commonly used method of recultivation of the shallow, strongly degraded small retention reservoirs. Two small retention reservoirs created on the river Tuszymka Duża (Sub-Carpathian region) were the research objects. The reservoir in Cierpisz (with a capacity of 22,000 m3) was formed in 1953 and was subjected to desludging in 1990, whereas the reservoir in Kamionka (with a capacity of 105,000 m3) was formed in 1957 and modernized and dredged in 2007. The research was conducted in two vegetation seasons the years 2013 and 2014. The samples of water and sediments were collected four times in 2013 and five in 2014 from 2 stations on the Cierpisz reservoir and 3 stations on the Kamionka reservoir. The sediments both of Kamionka and Cierpisz reservoirs despite the advanced eutrophication were very poor in terms of organic matter, phosphorus and nitrogen contents. Also, contamination of the sediments with heavy metals was moderate and except for cadmium, chromium and lead did not exceed the geochemical background. Generally, low content of phosphorus and organic matter does not indicate possibility of the occurrence of the internal supply of the water column and the sediment impact on the progress of eutrophication in both reservoirs. The amount of the accumulated substances in the sediments of the two reservoirs was slightly differentiated, and it was not related to the period of the desludging, but with the anthropogenic impact of the catchment and hydrological conditions

Ocena możliwości rolniczego wykorzystania osadów dennych z eutroficznego zbiornika zaporowego Rzeszów

Zbiornik zaporowy Rzeszów na rzece Wisłok w południowo-wschodniej Polsce, został zbudowany w 1973 roku. W trakcie jego eksploatacji, niektóre strefy zbiornika zostały zamulone i zalądowione, przez co jego powierzchnia i głębokość istotnie się zmniejszyły. Pomimo kilkukrotnych rekultywacji, zbiornik jest nadal silnie zamulony i jego funkcje użytkowe są mocno ograniczone. Celem pracy jest analiza zanieczyszczeń i możliwość wykorzystania rolniczego urobku wydobytego ze zbiornika. W pracy dokonano analizy ilościowej zarówno substancji potencjalnie toksycznych jak i biogennych w próbkach osadów pobranych w ciągu ostatnich pięciu lat ze stanowisk zlokalizowanych wzdłuż osi zbiornika. Ponadto, zostało oszacowane pochodzenie materii organicznej zawartej w tych osadach. W tym celu wykorzystano analizy zawartości stabilnych izotopów N i C jak również stosunków elementarnych tych pierwiastków. Krzemionka była dominującym składnikiem osadu (około 67% suchej masy osadu), zaś materia organiczna (OM) stanowiła około 10% s.m.o. Stężenia związków biogennych: OWO, azotu ogólnego i fosforu ogólnego wynosiły średnio odpowiednio 2,31%, 0,21% i 0,031% s.m.o. Pochodzenie osadów dennych zbiornika Rzeszów jest mieszane. Niespodziewanie wysoki udział materii autochtonicznej może być wynikiem intensywnej eutrofizacji wód zbiornika. Zawartości WWA były stosunkowo niskie. Najwyższe zauważone stężenie wynosiło 0,164 ppm w przypadku benzo(k)fluorantenu. Zawartość benzo(a)pirenu była niższa od 0,14 ppm. Poziomy stężeń wybranych kongenerów PCB mieściły się w przedziale od 0,0006 do 0,003 ppm i były poniżej wartości normatywnych. Badane osady były umiarkowanie zanieczyszczone metalami ciężkimi (Cu, Cd, Cr, Zn, Ni, Pb). Średnie stężenia wszystkich metali przekraczały sporadycznie tło geochemiczne i poziom TEC, ale wartość PEC nie została przekroczona w żadnej z analizowanych próbek. Charakter badanych osadów wskazuje, że nie są one odpowiednie do stosowania w rolnictwie ze względu na zanieczyszczenie i brak żyzności. Jednak mogą one być wykorzystywane do rekultywacji gruntów nierolniczych. Istnieją metody umożliwiające usunięcie z wydobytego materiału z tych zanieczyszczeń, głównie metali ciężkich, ale z uwagi na znaczne ilości urobku proces może okazać się nieopłacalny

Trophic state of three lowland reservoirs from se Poland

W pracy poddano ocenie stan troficzny trzech niestratyfikowanych, reolimnicznych zbiorników zaporowych zlokalizowanych na pierwszorzędowych dopływach Wisły, w rejonie Polski południowo-wschodniej: zbiornika Wilcza Wola na Łęgu, Chańcza na Czarnej Staszowskiej oraz Nielisz na Wieprzu. W badaniach wykorzystano dostępne w literaturze kryteria pozwalające ustalać stan troficzny na podstawie stężeń związków azotu, fosforu i chl a w wodach, oraz zintegrowane indeksy troficzności, gdzie stan wód wynika ze dostępności substratów oraz zawartości produktów fotosyntezy. Na tej podstawie zbiorniki Wilcza Wola i Nielisz zakwalifikowane zostały do grupy eutroficznych/hipertroficznych, zaś zbiornik Chańcza do mezotroficznych/eutroficznych. Stwierdzono także, że wykorzystane kryteria i indeksy są przydatne do tego typu analiz.The study assesses the trophic state of three unstratified, reolimnic reservoirs located on tributaries of the Vistula in the SE Poland: Wilcza Wola on the Łęg river, Chańcza on the Czarna Staszowska river and Nielisz on the Wieprz river. For the trophic state identification were used both the literature criteria based on the concentrations of nitrogen and phosphorus in the water, and integrated trophic state indexes (TSI). TSI shows the trophic state of water due to the availability of substrates and the content of the products of photosynthesis. On this basis, Wilcza Wola and Nielisz reservoirs were qualified for group of eutrophic /hypertrophic, while Chańcza reservoir to mesotrophic/eutrophic. It was also stated that the criteria and indices used are suitable for this type of analysis

Wastewater control system as an aspect of environmental assessment of industrial enterprise’s activity

In order to reduce the influence of wastewater from enterprises on the environment extreme relevance is gained by improvement of the monitoring system at each stage of technological process. A new tool is calculation of the polluting substances concentration is suggested to be entered into the monitoring system on the basis of determination of material balance of technological process of production that will allow prediction of qualitative and quantitative composition of sewage for the selected period. The system can be used in any enterprise, but the example with all calculations is given for the Mykolaiv Branch of "SUN InBev Ukraine" which became the object of research. The scope of the study covered the process of wastewater formation of the enterprise. Realization of tasks demanded the use of general scientific methods: analysis, synthesis, systematization and generalization in the course of studying of the corresponding literature on the research subject; modelling, formalization, comparison - at drawing up the calculation scheme of concentration of the polluting substances in sewage; supervision - during studying the technological scheme of production; and also methods of mathematical data processing in MS Excel