Bildning av metylkvicksilver i resuspenderade

fibersediment

- betydelsen av redoxbetingelser och typ av organiskt material

REACT (Formas 2012-2090)

Wei Zhu1, Yu Song2, Gbotemi A. Adediran1, Tao Jiang2,

Ana T. Reis3, Eduarda Pereira3, Ulf Skyllberg2, Erik Björn1

1 Kemiska institutionen, Umeå Universitet2 Institutionen för skogens ekologi och skötsel, SLU3 Complexo de Laboratórios Tecnológicos, Universidade de Aveiro, Portugal

Fysiskaliska strukturer och resuspensionsprocesser i fiberbankar

Övergripande hypotes:resuspensionsprocesser är viktiga mekanismer för reaktivering av historiskt deponerade föroreningar i fibersediment.

SGU

TREASURE, Uppsala University, http://www.geo.uu.se/forskning/nrhu/pagaende-forskning/treasure-projektet/

Kvicksilvers biogeokemiska processer i akvatiska ekosystem

Adapted from Barkay T., et al., FEMS Microbiology Review, 2003

Frågeställningar - resuspenderade fibersediment

Hur kan resuspensionsprocesser i fiberbankar förväntas påverka bildning av MeHg, och genom

vilka processer?

- Omblanding av sediment med olika typ av organiskt material och olika halt Hg

- Redoxoscilleringar (temporär oxidation)

Vad karakteriserar ett ”högrisk-objekt” avseende MeHg bildning vid resuspensions-Vad karakteriserar ett ”högrisk-objekt” avseende MeHg bildning vid resuspensions-

redoxoscilleringsprocesser?

Foto: Tao Jiang

Nyckelprocesser för bildning av MeHg i sediment

Biotillgänglighet av HgII

1. Löslighet av HgII

2. Kemisk speciation av HgII i porvatten

Aktivitet av HgII-metylerande mikroorganismer

3. Tillgång på metaboliska elektronacceptorer

4. Tillgång på metaboliska elektrondonatorer

HgS2H-, HgSH+

Hg(Sn)22-, Hg(Sn)SH-

diverse Hg(SR’)

(i) Hg(SH)20

(ii) Specifika Hg(SR)2

S-II ([FeII])

RSH

DOM

pH

RedoxHgII → MeHg MeHg

SO42-

S-II

Specifika DOM molekyler

CO

3. 4.

2.

HgS(s)

S−Hg−S│ │R R

≡ ≡

diverse Hg(SR’)2

(ii) Specifika Hg(SR)2

(?)HgII(aq)S-II CO2

Porvatten

Sediment (fastfas)

1.

?

→ Resuspension av fibersediment kan potentiellt påverka alla fyra processerna

och ha en komplex inverkan på MeHg bildning.

Slutsatser

Hur kan resuspensions-redoxoscilleringsprocesser i fiberbankar förväntas påverka bildning av

MeHg,

Resuspensionsprocesser kan kortsiktigt leda till en stor ökning i nettobildning av MeHg, upp till en faktor 4 i våra experiment.

och genom vilka processer?

1. Ökningen i nettometylering vid resuspension orsakas till största del av tillförsel av sulfat (metabolisk elektronacceptor).

2. Ökningen i nettometylering är störst i system med god tillgång på metaboliska elektrondonatorer (organiskt material från landavrinning och planktonproduktion, ej från fibermassa) och hög löslighet av HgII.

3. Lösligheten av både HgII och MeHg minskar vid oxidation av sediment.3. Lösligheten av både HgII och MeHg minskar vid oxidation av sediment.

Vad karakteriserar ett ”högrisk-objekt” avseende MeHg bildning vid resuspensions-

redoxoscilleringsprocesser?

A. Sediment med hög tillförsel av naturligt organiskt material från landavrinning och planktonproduktion

B. Sediment där kemisk speciation av HgII i fast/adsorberad fas domineras av Hg-NOM(ads) över β-HgS(s)

Provtagning Köpmanholmen

THg

µg g-1

MeHg

ng g-1

C/N

g g-1

Plankton+terrest OM%

Fiber OM

%

0-2 cm 20±1 16±3 50±6 78 22

2-5 cm 130±50 47±8 140±12 30 70

5-10 cm 41±3 21±3 570±30 18 82

Experimentuppställning

Top 0-2cm Microcosms

Top 0-10cm Microcosms

β -198HgS(s)

201Hg(NO3)2(aq)

202Hg(SR)2(ads)

CH3204HgCl(aq)

Top 0-5cm Microcosms

24hrs Incubation in 4 Microcosms

24h N2

0.5h Air+23.5h N2

4h Air+20h N2

24h Air

0 h

0.5 h

4 h

24 h

120g bottom water

50g wet sediment

Specifika DOM molekyler

HgS2H-, HgSH+

Hg(Sn)22-, Hg(Sn)SH-

diverse Hg(SR’)2

(i) Hg(SH)20

(ii) Specifika Hg(SR)2

S-II

([FeII])RSHDOMpHRedox

HgII(aq)

HgII → MeHg MeHg

SO42-

S-II CO2

3. 4.

2.

Top 0-2cm Microcosms

Top 0-10cm Microcosms

24h N

β -198HgS (s)

201Hg(NO3)2 (aq)

202Hg(SR)2 (ads)

CH3204Hg Cl (aq)

Top 0-5cm Microcosms

1.4.

Experimentuppställning Metyleringsprocessen

HgS(s)

≡ ≡

S−Hg−S│ │R R

Porvatten

Sediment (fastfas)

1.

diverse Hg(SR’)2(?)

HgII(aq)24h N2

0.5hAir+23.5hN2

4hAir+20hN2

24hAir

120g bottom water

50g wet sediment

2. 3.+

Effekt av resuspension-oxidation på svavelkemi

1. Löslighet av HgII (kmeth varierar en faktor 20-80)

Specifika DOM molekyler

HgS(s)

≡ ≡

S−Hg−S│ │R R

Porvatten

Sediment (fastfas)

1.

HgS2H-, HgSH+

Hg(Sn)22-, Hg(Sn)SH-

diverse Hg(SR’)2

(i) Hg(SH)20

(ii) Specifika Hg(SR)2

(?)

S-II

([FeII])RSHDOMpHRedox

HgII(aq)

HgII → MeHg MeHg

SO42-

S-II CO2

Kd = [Hg]sediment / [Hg]vatten (µmol kg-1 / µmol L-1)

3. Tillgång på metaboliska elektronacceptorer (kmeth ökar 50% upp till en faktor 2)

Specifika DOM molekyler

HgS(s)

≡ ≡

S−Hg−S│ │R R

Porvatten

Sediment (fastfas)

HgS2H-, HgSH+

Hg(Sn)22-, Hg(Sn)SH-

diverse Hg(SR’)2

(i) Hg(SH)20

(ii) Specifika Hg(SR)2

(?)

S-II

([FeII])RSHDOMpHRedox

HgII(aq)

HgII → MeHg MeHg

SO42-

S-II CO2

3.

Kd = [Hg]sediment / [Hg]vatten (µmol kg-1 / µmol L-1)

4. Tillgång på metaboliska elektrondonatorer (kmeth varierar upp till en faktor 3)

Specifika DOM molekyler

HgS(s)

≡ ≡

S−Hg−S│ │R R

Porvatten

Sediment (fastfas)

HgS2H-, HgSH+

Hg(Sn)22-, Hg(Sn)SH-

diverse Hg(SR’)2

(i) Hg(SH)20

(ii) Specifika Hg(SR)2

(?)

S-II

([FeII])RSHDOMpHRedox

HgII(aq)

HgII → MeHg MeHg

SO42-

S-II CO2

4.5.2-5.8 % terrest+plankton OC

2.8-3.0 % terrest+plankton OC 2.2-2.9 % terrest+plankton OC

Nettobildning av MeHg för ”naturligt” Hg

Speciation av ”naturligt” HgII

70% Hg-NOM(ads)30% β-HgS(s)

Slutsatser

Hur kan resuspensions-redoxoscilleringsprocesser i fiberbankar förväntas påverka bildning av

MeHg,

Resuspensionsprocesser kan kortsiktigt leda till en stor ökning i nettobildning av MeHg, upp till en faktor 4 i våra experiment.

och genom vilka processer?

1. Ökningen i nettometylering vid resuspension orsakas till största del av tillförsel av sulfat (metabolisk elektronacceptor).

2. Ökningen i nettometylering är störst i system med god tillgång på metaboliska elektrondonatorer (organiskt material från landavrinning och planktonproduktion, ej från fibermassa) och hög löslighet av HgII.

3. Lösligheten av både HgII och MeHg minskar vid oxidation av sediment.3. Lösligheten av både HgII och MeHg minskar vid oxidation av sediment.

Vad karakteriserar ett ”högrisk-objekt” avseende MeHg bildning vid resuspensions-

redoxoscilleringsprocesser?

A. Sediment med hög tillförsel av naturligt organiskt material från landavrinning och planktonproduktion

B. Sediment där kemisk speciation av HgII i fast/adsorberad fas domineras av Hg-NOM(ads) över β-HgS(s)