Effekt av UV-strålning på färgreduktion Labbstudie

(1)

Effekt av UV-strålning på färgreduktion

Labbstudie

Henric Djerf, Universitetslektor i miljövetenskap Britt-Marie Svensson, Universitetslektor i miljövetenskap

Rebecca Hessel, Forskarassistent

Fakulteten för naturvetenskap |Högskolan Kristianstad

(2)

2

Inledning

Många vattendrag tampas med problemet att vattnet blir mer färgat och innehåller mer organiskt material. Problemet är välkänt och kallas för ”Brunifieringen” eller på engelska "Brownification”.

Brunifieringen har visat sig ske över hela norra halvklotet (Monteith et al. 2007). Vattenfärgen är främst kopplad till ökad löst organiskt kol (DOC) även om järn (Fe) och mangan (Mn) är en del av problemet (Kritzberg och Ekström 2012, Sarkkola et al. 2013). Upplöst organiskt kol i skogsströmmar hänvisas ofta till humusämne och är en blandning av molekyler med låg och hög molekylvikt som transporteras från avrinningsjord till vattendraget (Weyhenmeyer et al. 2012).

Orsakerna till ökningarna av vattenfärgen diskuteras inom forskarvärlden. Det finns förmodligen ett antal faktorer som påverkar, och ett antal faktorer som samverkar. De olika faktorerna diskuteras grundligt i en review artikel av Kritzberg et al. (2019). Markanvändning nämns som en av de främsta orsakerna till ökad färg och DOC. Mattsson et al. (2009) visade att procentandelen skog och våtmark i dräneringen är positiv i samband med ökning av halten DOC i vattendragen. Kritzberg et al. (2017) visade på ett positivt samband med den historiska ökningen av barrträd och moderna monokulturer i avrinningsområdet till Ronnebyån. Även försurningen och nedfallet av sulfater har pekats ut som en av faktorerna (Monteith et al. 2007). Dessutom klimatförändringar, med högre temperatur och ökad nederbörd används som förklaring till den ökade utlakningen av DOC (Laudon et al. 2011).

En ökning av vattenfärgen kan vid en första anblick anses vara trivial. Denna färgförändring har dock ett antal allvarliga effekter på ekosystemet. Förändringen i ljusgenomträngning kommer att påverka den primära produktionen (Solomon et al. 2015), som då kan förändra strukturen på näringsväven i ekosystemet. Som exempel kan förändringen i vattenfärg förändra fördelningen av makrofyter, då färgen påverkar djupet som solljuset når (Søndergaard et al. 2013). Förändrade ljusegenskaper kan också ändra artfördelningen på t.ex. fisk (Ranåker et al. 2014) och öka dödligheten hos fisk

(Hedström et al. 2017). Ytvatten är också en vanlig dricksvattenresurs, och ökningen av DOC och färg tvingar dricksvattenproducenten att investera i reningsanläggningar och därmed göra

dricksvattenproduktionen dyrare (Tuvendal och Elmqvist 2011).

Weyhenmeyer et al. (2014) studerar sönderfallet av organiskt (DOC) material under transport från land till hav. Denna studie menar att de viktigaste drivkrafterna för nedbrytning av DOC i sjöar är solens exponering (fototransformation), flockning av DOC och järn, samt mikrobiell nedbrytning.

Även Vähätalo et al. (2000) påpekar att fotokemisk nedbrytning är en viktig faktor för att reducera DOC. En studie av Koskinen et al. (2017) om effekten av återvätning av torvmarkervisar på både minskad, och ökad, transport av DOC till recipient.

Bakgrund och förslag till upplägg

Från miljöövervakningen kan man se att färgtalet minskar efterhand som vattnet vandrar ner genom avrinningsområdet. Det kan finnas olika tänkbara förklaringar till detta:

1. UV-strålning: sjöar har stora yta som ej är skuggad och får därmed stor påverkan från solljuset

2. Uppehållstiden och sedimentering: järn och löst organiskt kol (DOC) bildar större molekyler (komplex) som sedimenterar fastläggs i sjöarnas djuphålor

3. Utspädning, med vatten med mindre färgtal 4. Biologisk nedbrytning i sjöarna.

(3)

3 Förklaring 1 skulle kunna testas genom att studera reduktionen av färgtal på sommaren och jämföra med reduktionen på vinter då solinstrålningen är lägre. Men den biologiska aktiviteten minskar på vintertid och färgreduktionen kan då inte skiljas från eventuell biologisk nedbrytning. Däremot skulle förklaring 2 vara någorlunda konstant mellan vinter och sommar då sedimenteringen är en fysisk process som även bör pågå under vintern.

I Skräbeåns avrinningsområden ligger mellan Immelns utlopp och Halens utlopp ett pärlband av sjöar. Skräbeån passerar först Immeln => Filkesjön => Gillesjön => Raslången => Halen, och pga det stora flödet från Skräbeån, har omgivningen endast en försumbar påverkan på färgtalet hos de fyra sistnämnda sjöarna. Förklaring 3 ovan kan därmed uteslutas och gör detta sjösystem lämpligt för en studie.

Genom att mäta färgtalet vid inlopp och utlopp av respektive sjö, och samtidigt bestämma flödet, kan reduktionen av färg och totalt organisk kol (TOC) relateras till respektive sjös uppehållstid. I teorin bör man då kunna få ett samband mellan reduktionen och uppehållstiden, se Figur 1.

Figur 1. Teoretiskt antagande av samband mellan reduktion av färgtal och uppehållstid.

Genom att relatera reduktionen till uppehållstiden kan en studie göras på sommaren och en på vintern, trots att flödet är annorlunda. Visar det sig då att UV-strålningen och den biologiska faktorn är viktigast för färgreduktionen, kan man förvänta sig följande resultat, se figur 2.

Figur 2. Teoretiskt antagande av samband mellan reduktion av färgtal och uppehållstid med hänsyn till årstid och biologiska faktorn.

y = 0,5x - 1

0 1 2 3 4 5

0 2 4 6 8 10 12

Reduktion Färgtal

Uppehållstid dagar

Uppehållstid

y = 2x + 2

y = x + 1

0 2 4 6 8 10 12

0 1 2 3 4 5

Reduktion Färgtal

Uppehållstid dagar

Reudktion sommar Reduktion vinter (UV) Linjär (Reudktion sommar) Linjär (Reduktion vinter (UV))

(4)

4 Om det är den fysikaliska processen som är den viktigaste, borde resultaten bli som visas i figur 3.

Figur 3. Teoretiskt antagande av samband mellan reduktion av färgtal och uppehållstid med hänsyn till årstid och sedimentering.

En första labbstudie för reduktion av färg kan göras med hjälp av en UV-reaktor. Ingen biologisk aktivitet överlever någon längre tid i reaktorn pga UV-strålningen. Detta gör att effekten av UV- strålningen kan studeras separat. Vid labbstudien kan UV-strålningens intensitet erhållas med hjälp av UV-lampans styrka. Provvatten för de inledande labbförsöken hämtas från Såganässjön utanför Diö, Kronobergs län. Såganässjön ligger i ett myrmarksområde och har ett stark färgat vatten

Syftet med första labbstudien är att testa utrustningen, få en uppfattning om lång tid det tar för färg och det organiska materialet att reduceras samt att få input till fortsatta studier.

Metod

En UV-reaktor hämtades från

Linnéuniversitetet i Kalmar och sattes upp i labbet på våning 1 i hus 20 på campus i Kristianstad, se Figur 4. Utrustningen

placerades på diskbänken i korridoren anslöts till kranvatten för kylning. UV-reaktor

(diameter = 10 cm, höjd = 25 cm) (LRS-2, UV- Consulting Peschl Mainz, Tyskland). Ljuset i UV- reaktorn emitterades vid 150 W i våglängder mellan 250 och 580 nm med de högsta topparna vid 310, 360, 400, 440, 550 och 580 nm. Den totala behandlade volymen för varje experiment var 1,0 L.

Figur 4. Försöksuppställning UV-reaktor.

0 2 4 6 8 10 12

0 1 2 3 4 5

Reduktion Färgtal

Uppehållstid dagar

Reudktion sommar Reduktion vinter (sedimentering)

(5)

5 Provvatten (5 L) hämtades vid tre tillfällen, den 20/7, 8/8 och 16/8 2020. Reaktorbehållaren fylldes med en liter provvatten. En termometer placerades i reaktorbehållaren för att kontrollera att kylningen fungerar. En flaska med en liter provvatten placerades bredvid reaktorn och fungerade som referensprov.

Först genomfördes en testomgång där 25 ml prov togs från reaktorbehållaren, och från flaskan med referensprov, vid start (0 timmar) samt efter 24 och 48 timmar efter att UV-reaktorn startats.

Försöket utvärderades och det noterades att det behövdes ett tätare provtagningsintervall.

Vid de två efterföljande försöken togs prover ut vid start och efter 1, 2, 4, 6, 8 och 24 timmar efter det att UV-reaktorn startats. Vid det sista försöket fick reaktorn vara igång ytterligare 24 timmar och prov togs även ut 48 timmar efter start. pH mättes med pH-meter HQ40d med en Intellical PHC101 elektrod. TOC mättes spektrofotometriskt med Hach-Lange Kit LCK385 och DR 3900. Färg mättes med DR 3900 från Hach-Lange vid 455nm och anges i enheten mgPt/l.

Resultat

Provvattnet från Såganässjön har ett pH på något över 6. I de tre referensproven (från 3 olika provtagningar) uppmättes pH på 5,9, 6,3 och 6,7 respektive. I referenserna höll sig sedan pH stabilt under försök 2 och 3, medan i försök 1 steg pH något. I proverna i UV-reaktorn sjönk pH värdet något, till ca 6 eller strax under, se rådata i bilaga 1.

Färg och TOC hölls stabilt i referensen under alla tre försöken. I provet i UV reaktorn kan en tydlig minskning av färgen märkas. Efter 4 timmar har färgtalet reducerats med 44% i både försök 2 och 3, och verkar ha nått sin maximala reduktion efter 6 timmars UV-bestrålning (Figur 5). Efter 6 timmars försök i UV-reaktorn är färgförändringen väldigt liten. För försök 1, där prov togs ut först efter 24 timmar, har färgen reducerat med 62% och ingen ökad reduktion sker efter ytterligare 24 timmar.

När det gäller försök 2 och prov efter 8 samt 24 timmar får resultatet anses vara felaktigt, eftersom en ökning av färgen jämfört med provet som togs efter 6 timmar noterades. En förklaring till det högre färgtalet kan vara att prov från sedimenterat material av misstag kom med vid provtagningen.

Figur 5. Samband mellan färgreduktion och uppehållstid vid 3 försök i UV-reaktor.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Reduktion färgtal (%)

Uppehållstid (tim)

Färg

försök 1 försök 2 försök 3

(6)

6 Reduktionen av TOC är hög under de första timmarna (figur 6), även om resultaten är lite olika i de tre försöken. Men det är också olika vatten och viss skillnad kan förväntas. När försök 2 avslutas efter 24 timmar är TOC-halten 95% mindre än vid start, och samma resultat erhölls vid försök 1 och 3 efter 48 timmar, se figur 6.

Figur 6. Samband mellan reduktion av TOC och uppehållstid vid 3 försök i UV-reaktor.

Diskussion

I UV-reaktorn bryts det organiska materialet ner, och halten organiskt material efter tiden i UV- reaktorn är låg. Men noterbart är att färgen inte försvinner i samma utsträckning, och förlängd tid i UV reaktorn minskar inte färgtalet. Detta tyder på att det inte är endast det organiska materialet som ger vatten sin bruna färg. Enligt litteraturen kan järn och mangan också bidra till vattnets färg och dessa ämnen bryts inte ned med UV-ljus. Intressant är också i vilken form som järn och magnan i så fall finns i vattnet. Är det i oxiderad form som kan ge fällningar med syre?

En annan intressant fråga är vilken betydelse vattnets ursprung har på fördelningen av parametrar som ger brunfärgningen. Vatten från myrmarker, som från Såganässjön i labbstudien, har en hög halt TOC, och det är också känt att halten av järn i högt. Kan vatten som innehåller stor andel organiskt material lättare avfärgas? Är det skillnad på vilken typ av det organiska materialet som ger vattnets dess bruna färg, dvs vilket typ av mark och växtlighet som står för avrinningen?

Förslag till fortsatt arbete

1. Labbstudien med UV-reaktorn upprepas med provvatten från andra vattenprover, tex från i sjöar som bevattnas från mindre ytor myrmark. Analyssparameterar utökas med järn (Fe) och mangan (Mn). Uppehållstiden i UV reaktorn kan begränsas till 8 timmar.

2. En studie i nämnda sjösystem dvs inloppen till Filkesjön, Gillesjön, Raslången och Halen, samt utloppet från Halen. Prov tas ut vid de 5 provtagningspunkterna vid 10 provtagningstillfällen under försommaren. Vid varje punkt bestäms koncentration av TOC och färg samt flödet i vattendraget så att uppehållstiden kan bestämmas. Gissningsvis är uppehållstiden i de större sjöarna omkring 3-4 dagar. Lämplig intervall på provtagningen är därför mellan 2-4 dagar.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50

Reduktion TOC (%)

Uppehållstid (tim)

Referenser

Hedström, P., Bystedt, D., Karlsson, J., Bokma, F. & Byström, P. (2017). Brownification increases winter mortality in fish. Oecologia, 183, 587-595.

Koskinen, M., Tahvanainen, T., Sarkkola, S., Menberu, M. W., Laurén, A., Sallantaus, T., Marttila, H., Ronkanen, A.-K., Parviainen, M., Tolvanen, A., Koivusalo, H. & Nieminen, M. (2017). Restoration of nutrient-rich forestry-drained peatlands poses a risk for high exports of dissolved organic carbon, nitrogen, and phosphorus. Science of The Total Environment, 586, 858-869.

Kritzberg, E. & Ekström, S. (2012). Increasing iron concentrations in surface waters–a factor behind brownification? Biogeosciences, 9, 1465-1478.

Kritzberg, E. S. (2017). Centennial‐long trends of lake browning show major effect of afforestation.

Limnology and Oceanography Letters, 2, 105-112.

Kritzberg, E. S., Hasselquist, E. M., Škerlep, M., Löfgren, S., Olsson, O., Stadmark, J., Valinia, S., Hansson, L.-A. & Laudon, H. (2019). Browning of freshwaters: Consequences to ecosystem services, underlying drivers, and potential mitigation measures. Ambio, 49, 375–390.

Laudon, H., Berggren, M., Ågren, A., Buffam, I., Bishop, K., Grabs, T., Jansson, M. & Köhler, S. (2011).

Patterns and Dynamics of Dissolved Organic Carbon (DOC) in Boreal Streams: The Role of Processes, Connectivity, and Scaling. Ecosystems, 14, 880-893.

Mattsson, T., Kortelainen, P., Laubel, A., Evans, D., Pujo-pay, M., Räike, A. & Conan, P. (2009). Export of dissolved organic matter in relation to land use along a European climatic gradient. Science of The Total Environment, 407, 1967-1976.

Monteith, D. T., Stoddard, J. L., Evans, C. D., De Wit, H. A., Forsius, M., Høgåsen, T., Wilander, A., Skjelkvåle, B. L., Jeffries, D. S., Vuorenmaa, J., Keller, B., Kopácek, J. & Vesely, J. (2007). Dissolved organic carbon trends resulting from changes in atmospheric deposition chemistry. Nature, 450, 537- 540.

Ranåker, L., Persson, J., Jönsson, M., Nilsson, P. A. & Brönmark, C. (2014). Piscivore-prey fish interactions: mechanisms behind diurnal patterns in prey selectivity in brown and clear water. PloS one, 9, e102002.

Sarkkola, S., Nieminen, M., Koivusalo, H., Laurén, A., Kortelainen, P., Mattsson, T., Palviainen, M., Piirainen, S., Starr, M. & Finér, L. (2013). Iron concentrations are increasing in surface waters from forested headwater catchments in eastern Finland. Science of the Total Environment, 463, 683-689.

Solomon, C. T., Jones, S. E., Weidel, B. C., Buffam, I., Fork, M. L., Karlsson, J., Larsen, S., Lennon, J. T., Read, J. S., Sadro, S. & Saros, J. E. (2015). Ecosystem Consequences of Changing Inputs of Terrestrial Dissolved Organic Matter to Lakes: Current Knowledge and Future Challenges. Ecosystems, 18, 376- 389.

(8)

8 Søndergaard, M., Phillips, G., Hellsten, S., Kolada, A., Ecke, F., Mäemets, H., Mjelde, M., Azzella, M.

M. & Oggioni, A. (2013). Maximum growing depth of submerged macrophytes in European lakes.

Hydrobiologia, 704, 165-177.

Tuvendal, M. & Elmqvist, T. (2011). Ecosystem services linking social and ecological systems: river brownification and the response of downstream stakeholders. Ecology and Society, 16.

Weyhenmeyer, G. A., Fröberg, M., Karltun, E., Khalili, M., Kothawala, D., Temnerud, J. & Tranvik, L. J.

(20129. Selective decay of terrestrial organic carbon during transport from land to sea. Global Change Biology, 18, 349-355.

Weyhenmeyer, G. A., Prairie, Y. T. & Tranvik, L. J. (2014). Browning of boreal freshwaters coupled to carbon-iron interactions along the aquatic continuum. PLoS One, 9, e88104.

Vähätalo, A. V., Salkinoja -Salonen, M., Taalas, P. & Salonen, K. (2000). Spectrum of the quantum yield for photochemical mineralization of dissolved organic carbon in a humic lake. Limnology and Oceanography, 45, 664-676.

(9)

9

Bilaga 1. Rådata

20200720 Prov Referens

tid efter

start (tim) pH Färg

mgPt/l TOC

mg/l pH Färg

mgPt/l TOC mg/l

0 5,87 388 29,9 5,87

24 5,88 138 10,5 5,84 364 28,4

48 6,33 135 2,42 6,35 351 29,0

tid efter

mgPt/l TOC

mg/l pH Färg

mgPt/l TOC mg/l

0 6,30 267 30,5 6,30 267 30,5

1 6,01 264 23,8

2 6,05 233 19,7 6,51 264 27,0

4 5,76 149 12,9 6,49 272 25,1

6 6,05 123 9,48 6,37 272 24,7

8 6,07 173 7,23 6,42 280 31,5

24 6,20 177 1,58 6,36 265 24,1

48

tid efter

mgPt/l TOC

mg/l pH Färg

mgPt/l TOC mg/l

0 6,66 273 24,3 6,66 273 24,3

1 6,24 258 21,0

2 5,91 228 31,2 6,20 284 25,5

4 5,85 148 14,7 6,22 285 22,9

6 5,74 104 13,6 6,27 275 24,6

8 5,72 105 11,3 6,22 283 33,4

24 5,74 104 13,8 6,02 284 24,7

48 6,13 78 2,71 6,24 263 33,7