Organiskt material, vilket omfattar i princip alla levande organismer samt res-ter av dem, behöver brytas ned i mindre beståndsdelar innan det kan användas igen som energi och byggstenar för nya organismer. Utöver sin avgörande roll för produktion av ny biomassa bidrar nedbrytning av organiskt material även till växthusgasutsläpp, som koldioxid (CO2) och metan (CH4), då kol är den viktigaste beståndsdelen i organiskt material. För att förstå ett ämneskretslopp som kolcykeln måste vi därför först förstå de processer som transporterar grundämnen mellan de olika segmenten i cykeln. Inlandsvatten, så som bäckar, floder och sjöar, spelar här en viktig roll i den globala kolcykeln då de tar emot stora mängder organiskt kol från skog och mark (alloktont kol) och även har egen ny produktion av organiskt kol via alger och bakterier (autoktont kol). Inlandsvatten transporterar det organiska materialet mot ha-vet, men en stor andel omarbetas på vägen. Organiskt kol som är löst i vattnet kan brytas ned till CO2 och CH4 av solstrålning och som ett resultat av bakte-riell respiration. Inlandsvatten mättat med dessa växthusgaser avger dem se-dan till atmosfären. Det organiska kolet kan också omvandlas till partiklar som sjunker till bottensedimentet. Här kan en del av kolet fortfarande konsumeras av bakterier och omvandlas till CO2 och CH4, men återstående kol förblir lag-rat i sedimentet och avlägsnas därför från den kortsiktiga kolcykeln till en mer långsiktig kolsänka.
Omvandling från löst organiskt material till partikelformigt organiskt material kan ske om de lösta molekylerna klumpas ihop och bildar partiklar som är för tunga för att förbli suspenderade i vattnet. De lösta organiska mo-lekylerna har i allmänhet en negativ laddning och stöter därför bort varandra, men om positivt laddade joner är närvarande i vattnet kan de neutralisera de negativt laddade organiska molekylerna och hålla ihop dem så att de bildar aggregat. Detta kallas flockulering. Sedimentering av organiskt material kan också uppstå när molekyler håller fast vid mineralpartiklar som är suspende-rade i vattenpelaren. Dessa mineralpartiklar kan hamna i vattnet som följd av erosion av den omgivande marken. Speciellt gäller detta finkorniga lerpartik-lar som ofta är väl lämpade för att binda organiska molekyler. En sådan pro-cess, där organiska molekyler fastnar på icke-organiska ytor, kallas för ad-sorption. När de organiska molekylerna har adsorberats på mineralpartiklarna kan de begravas i sedimentet, och där bli än mindre tillgängliga för nedbry-tande mikrober på grund av det organiska materialets hårda bindning till par-tiklarna.
Adsorption är en välkänd mekanism för stabilisering av organiskt material i jord där det finns rikligt med mineralpartiklar, och har i viss utsträckning
även studerats i havs- och sjösediment. Inlandsvatten har dock generellt låga halter av dessa partiklar, och som en konsekvens är adsorptionsprocessen inte lika väl studerad här. Det finns ändå förhållanden då höga halter av suspende-rade partiklar kan påträffas i inlandsvatten, som till exempel vid erosion.
Denna kan orsakas av mänskliga aktiviteter som jordbruk, skogsbruk och gruvdrift men sker också på naturlig väg; Bäckar som avvattnar glaciärer har ofta höga partikelkoncentrationer då glaciären eroderar underliggande berg-grund. Även kraftiga regn kan orsaka erosion genom att skölja bort mark i avrinningsområden med branta sluttningar. Erosion kan också ske till följd av klimatförändringar, som till exempel då global uppvärmning tinar permafrost, vilket frigör partiklar genom erosion av flodbankar och kuster.
Följaktligen är adsorption av organiskt material en viktig process i ekosy-stemen, men det finns begränsad kunskap om den i inlandsvatten. Målet med denna avhandling var därför att undersöka potentialen för adsorption av upp-löst organiskt material på mineralytor i inlandsvatten. Löst organiskt material som är en komplex blandning av olika molekyler, och processer som omvand-lar materialet påverkar vanligtvis inte de olika ingående föreningarna på samma sätt utan är i sin tur beroende av kemiska egenskaper hos de enskilda molekylerna. Om vissa föreningar avlägsnas från lösningen kan vi därför se en förändring i sammansättningen eller kvaliteten på det återstående lösta or-ganiska materialet. Detta blir viktigt eftersom andra processer som kan för-ändra eller avlägsna organiskt material från den fria vattenmassan, som foto-kemisk nedbrytning och mikrobiell nedbrytning, också påverkar specifika för-eningar selektivt. Nästa syfte med avhandlingen var därför att undersöka vil-ken effekt adsorptionen av organiskt material har på sammansättningen av det lösta organiska material som inte adsorberas, och hur denna förändring i sam-mansättning förändrar hur reaktivt det organiska materialet är med avseende på andra processer.
I den första studien (studie I) testade jag hur spridd potentialen för adsorpt-ion är med hjälp av en uppsättning vattenprover insamlade från 30 högst olika sjöar, bäckar, floder samt ytvatten från torvmark, fördelade över olika delar av Sverige. En kommersiellt tillgänglig referenslera visade hög affinitet för organiskt material i ett pilotförsök, och tillsattes till alla prover i samma kon-centration. Jag fann att mellan 22 och 75% av det lösta organiska kolet kunde avlägsnas genom adsorption till partiklarna. Analys av det organiska materi-alets sammansättning visade vidare att organiskt material importerat från om-givande mark avlägsnades selektivt, medan material som producerats på plats av alger och växter behölls. Dessa föreningar var starkt färgade, aromatiska till sin natur och hade syreinnehållande funktionella grupper genom vilka de adsorberades till lerpartiklarna. Analys av det lösta organiska materialets kva-litet samt vattenkemi för alla provtagningsplatser visade att både kvakva-litets- och vattenkemiparametrarna, såsom pH och katjonkoncentrationer, påverkade ad-sorptionen.
I studie II undersökte vi potentialen för adsorption till referensleran samt saltinducerad flockulering i ytvatten. Undersökningen utfördes vid ett hedland på kusten av Exmoor, i Storbritannien, där vattenprover samlades in från en damm på heden samt åtta bäckar som ledde från heden till kusten. Även om
dessa vatten skilde sig från de svenska vattnen från studie I så adsorberades liknande föreningar till referensleran. Saltinducerad flockulering avlägsnade föreningar med funktionella grupper innehållandes syre, oavsett aromaticitet.
Den kombinerade ler- och saltbehandlingen var mycket lik lerbehandlingen.
I studie III följde jag Fyrisån, som också var en av de provtagningsplatserna i studie I, under ett helt år för att fånga säsongsvariationer i adsorption. Vat-tenprover togs en gång per månad och exponerades sedan för referensleran på samma sätt som i studie I och II. Många av kvalitetsparametrarna för löst or-ganiskt material följde ett vågformigt mönster under säsongerna; Importerat organiskt material från omgivande marker ökade på senhösten och vintern, för att sedan minska under sen vår och sommar. Att adsorptionspotentialen följde detta mönster berodde på att mer löst organiskt kol avlägsnades på hösten, vintern och våren. Precis som i studie I var koncentrationer av katjoner som kalcium och magnesium också viktiga för att reglera adsorptionen. I ett enkelt test av biologisk nedbrytbarhet för ett av proverna var det återstående lösta organiska materialet mer tillgängligt för mikrober efter att en del av det svår-nedbrytbara alloktona materialet först hade adsorberats.
I studie IV fokuserade jag på naturligt förekommande mineralpartiklar. I norra Sverige släpper tinad permafrost ut organiskt material, tidigare låst i den frusna marken, till ytvatten där det kan bearbetas. En oro finns för att organiskt kol som släpps ut från tinande permafrost världen över bidrar till avsevärda CO2- och CH4-utsläpp till atmosfären, då det bryts ned av solljus och / eller mikrober. Samtidigt innehåller de vattendrag som avvattnar smältande glaciä-rer höga koncentrationer av suspenderade partiklar. Jag studerade ett scenario där vattendrag som transporterar suspenderat sediment från en glaciär ned-ströms blandats med vatten från låglandet med höga halter av alloktont orga-niskt kol och orgaorga-niskt kol från smältande permafrost, för att undersöka om det glaciala suspenderade sedimentet kunde adsorbera nyligen frigjort orga-niska material. Ytterligare frågeställningar rörde adsorptionens effekt jämfört med effekten av fotokemisk nedbrytning till följd av solstrålning, och hur dessa två processer påverkar biotillgängligheten för återstående löst organiskt material. Till skillnad från referensleran adsorberade partiklarna från glaciären inte aromatiska, syrerika föreningar utan istället 'proteinliknande' löst orga-niskt material. Efter att det ’proteinliknande’ materialet adsorberats till partik-lar minskade biotillgängligheten i det återstående lösta organiska materialet, jämfört med referensprovet med löst organiskt material som inte modifierats genom adsorption. Detta berodde troligen på att det ’proteinliknande’ materi-alet tjänade som en bra födokälla för mikrober. Fotokemisk nedbrytning tog å andra sidan bort och förändrade alloktont material och förbättrade därmed återstående upplöst organiskt materialet som energikälla för mikrober.
Sammantaget visar mina resultat att adsorption har stor potential att selek-tivt avlägsna löst organiskt material från inlandsvatten, med konsekvenser för reaktivitet med avseende på mikrobiell nedbrytning. Dessutom fann jag att omfattningen och typen av hur organiskt material avlägsnas är en komplex funktion av adsorptionsmedlets sammansättning, som t.ex. mineralogiska egenskaper hos suspenderade partiklar, sammansättningen av det lösta orga-niska materialet samt vattenkemiska förhållanden såsom pH och
koncentrationer av katjoner. Fortsatta studier bör undersöka miljöer där höga partikelkoncentrationer uppträder, antingen naturligt eller som ett resultat av mänskliga störningar, och syfta till att kvantitativt uppskatta den roll som ad-sorption av löst organiskt material till mineralpartiklar spelar i den globala kolcykeln.