syreförhållanden styr

l i v o c h r ö r e l s e i fri a vat t net
Syreförhållanden styr
näringsdynamiken i havet
Elisabeth Sahlsten, SMHI
För att förstå näringsdynamiken i havet
är det viktigt att veta hur kopplingen ser
ut mellan de interna processerna. Det är
ett flertal faktorer som styr, från storska­
liga klimat- och väderförhållanden som
påverkar de fysikaliska processerna, till
småskaliga fluktuationer som påverkar
levnadsbetingelserna för det biologiska
livet i havet. Näringsförhållandena påver­
kas inte bara av vattnets rörelser i sig,
utan framförallt av syreförhållandena i
vattenmassornas olika skikt.
■ Ytvattnet är så gott som alltid mättat
på syre, tack vare planktonalgernas foto­
syntesaktivitet och att vindar blandar ner
luftens syre i vattnet. I djupare vattenlager
är syreförekomsten beroende av relatio­
nen mellan produktion genom fotosyntes,
transport av syre i vattenmassan och olika
syreförbrukande processer.
Att våra hav ofta är skiktade med såväl
temperatur- som saltsprångskikt försvårar
transporten av syre mellan vattenmassor­
na, och det ökar risken för dåliga syreför­
hållanden vid bottnarna med döda bottnar
som följd.
Kväve har en huvudroll
havet 2 00 9
Foto: SMHI
Ett av de ämnen som spelar huvudrollen
i näringsdynamiken i havet är kväve. Det
är ett av de viktigaste grundämnena för
alla organismer, eftersom det är en viktig
beståndsdel i aminosyror, proteiner och
nukleinsyror. I havet är kväve ofta det ämne
som begränsar produktionen. Det speciel­
la med kväve är också att dess omvandling
i olika kväveföreningar i naturen, den så
kallade kvävecykeln, till stor del sköts av
bakterier och andra mikroorganismer.
I havsvattnet förekommer kväve som
27
l iv och rörelse i f ria vattn e t
Syre och närsalter
0
ammonium
nitrat
fosfat
syre (ml/l)
15
Gotlandsdjupet, centrala Östersjön
50
10
5
150
150
200
200
0
5
0
koncentration (µmol/l)
10
8
6
4
2
0
-2
8
6
4
2
0
-2
-4
2006
2007
2008
n Södra Östersjön är ett dynamiskt område
vad gäller syreförhållanden och näringsdynamik.
Stora variationer i syrehalter i djupvattnet ger
också stora variationer i halten av näringsämnen,
både inom och mellan år. I figuren har negativa
syrehalter räknats fram från analyserade koncen­
trationer av svavelväte, vilket räknats om till den
mängd syre som har åtgått för att reducera
sulfat till svavelväte.
28
20
30
40
50
0
5
10
15
koncentration (µmol/l, syre ml/l)
löst
organiskt kväve, som de oorganis­ sker dock dessa reaktioner inte i ytvatt­
14
ka närsalterna ammonium, nitratfosfat
och net, trots att syrehalterna är som högst
nitrat
12
ammoniumdär. Förklaringen kan eventuellt vara
nitrit och som otillgängligt fritt kväve
i 10
form av kvävgas. Växtplankton tar någon slags hämning av nitrifikations­
8 kvävet främst i form av nitrat eller
bakterierna i den fotiska zonen. Nitri­
upp
fikationen sker istället i djupare syre­
ammonium.
6
satta vatten.
I
Östersjön
utgör
löst
organiskt
4
kväve minst hälften av allt kväve, och
2
under sommaren är denna kväveform Denitrifikation renar havet
helt-5dominerande.
Trots
denna domi­
Denitrifikationen
är en anaerob
0
5
10
15
nans är inte så mycket
känt
process, som ibland har kallats havets
Syre (ml/l)om dyna­
miken hos alla de ämnen som ingår i självrenande process. Den innebär att
benämningen löst organiskt kväve.
nitrat omvandlas till kvävgas. Kväv­
gas är en stabil molekyl som inte är
Ammonium från nedbrytning
tillgänglig för kemiska omvandling­
I syrefritt djupvatten finns höga halter ar, med undantag för den speciella
av ammonium, vilket främst kommer enzymatiska process som exempelvis
från nedbrytningsprocesser av orga­ kvävefixerande cyanobakterier har.
niskt material. I övre vattenmassan Det innebär att denitrifikationen ofta
utgör ammonium ett näringsämne leder till att kvävet försvinner ur havs­
för växtplankton, och tas under den vattnet.
Nitrifikationens syreberoende och
produktiva säsongen vanligen upp
som näring av dessa i samma takt som denitrifikationens behov av anaeroba
det frisätts vid nedbrytande processer förhållanden innebär att redoxklinen,
språngskiktet där aerob och anaerob
från bakterier och djurplankton.
miljö möts, är en mycket viktig zon
Nitrifikationen kräver syre
där vi kan förvänta oss en nära kopp­
De två viktigaste processerna i kväve­ ling mellan nitratbildning och nitrat­
cykeln, nitrifikation och denitrifika­ förbrukning.
tion, styrs bägge direkt av vilka syre­
Fosfat läggs fast av syre
förhållanden som råder.
Nitrifikationen är den bakteriella Fosfor är, liksom kväve, ett viktigt ämne
omvandlingen av ammonium till för uppbyggnad av allt liv, från bakte­
först nitrit, och sedan vidare till nitrat. rier till valar. Till skillnad från kväve
Omvandlingen är en oxidation som har inte fosfor någon omvandling i
kräver syre, och därför sker den endast olika oorganiska föreningar, utan före­
i miljöer där syre finns. Märkligt nog kommer som näringsämne framför
Närsaltskoncentration (µmol/l)
10
2005
10
Bornholmsdjupet, södra Östersjön
syre
ammonium
nitrat
fosfat
50
100
250
Bornholmsdjupet, södra Östersjön
0
100
2005
2006
2007
2008
n I öppna Kattegatt har tillgången på syre i
bottenvattnet de senaste fyra åren varit god
vilket lett till relativt höga koncentrationer av nitrat
på 50 meters djup. Under höstarna har syre­
halterna sjunkit, vilket lett till ökade mängder av
ammonium.
15
fosfat
nitrat
ammonium
temperatur
salinitet
syre
svavelväte
h avet 2 0 0 9
250
20
Foto: Jan-Ola Persson/iStockphoto
Anholt, centrala Kattegatt
Djup (m)
koncentration (µmol/l)
20
förhållandet mellan syre och näring
Gotlandsdjupet, centrala Östersjön
50
100
150
50
100
150
5
200
200
0
250
0
10
20
30
40
10 50
0
5
10
15
250
20
koncentration
(µmol/l, syre ml/l)
8
n Vid Gotlandsdjupet syns en tydlig effekt
6 av språngskiktet, både vad gäller syre och
näringsämnen. Syrehalterna sjunker snabbt med ökande djup under språngskiktet. Exemplet
illustrerar även tydligt vikten av att mäta4näringsämnen i hela vattenpelaren, inte bara i ytvatt­
net. Figuren visar vertikalprofiler från station
Gotlandsdjupet under februari 2008.
2
0
Bornholmsdjupet, södra Östersjön-2
fosfat
14allt i form av den oorganiska jonen
fosfat8
och
nitrat
12(ortofosfat). Fosfat kan i bottenvatten
ammonium
6
sediment göras otillgängligt som
närings­
10
ämne genom att det med järn bildar
ett
4
8järn-fosfatkomplex och fälls ut. Detta
2
6komplex bryts dock upp vid syrebrist, då
0
4svavelväte istället reagerar med järnet för
-2
2att bilda järnsulfid.
Fosfat binds alltså upp i bottenvatten
-4
och
vid god
men
-5 sediment
0
5 syretillgång,
10
15
2005
Syre (ml/l)
frisläpps vid syrefria
förhållanden. Detta
leder till att fosfatkoncentrationerna fluk­
tuerar i djupvatten där syreförhållandena
skiftar. Även silikat, en viktig kiselfören­
ing som bygger upp skalen på kiselalger,
frisläpps på liknande sätt från bottnarna
vid syrefria förhållanden.
Fosfat frigörs och ackumuleras i djup­
vattnet i samband med att dött material
bryts ner. När fosfatrikt djupvatten trans­
porteras upp till den fotiska zonen ger den
ny näring till plankton och cyanobakterier.
Gott om syre i Kattegatt
Hur ser då förhållandena ut vad gäller kväve,
fosfor och syre i våra havsområden? Några
av områdena har varit eller är problem­
områden i detta avseende, och förtjänar
en mer ingående beskrivning. I Kattegatt
har problemen med syrebrist i bottnarna
varit betydande under 1970-och 1980-talet,
men förhållandena har förbättrats under
de senaste decennierna. På station Anholt
i öppna Kattegatt har tillgången på syre i
bottenvattnet de senaste fyra åren varit
relativt god under alla årstider. Tack vare
generellt god tillgång på syre i bottenvatt­
havet 2 00 9
net finns relativt höga koncentrationer av
nitrat i djupvattnet i detta område.
Under höstarna har det dock skett bety­
dande nedgångar i djupvattnets syrehalter,
vilket lett till ökade mängder av ammo­
nium. Detta är resultat av nedbrytning av
organiskt planktonmaterial som sjunkit
ned i djupvattnet. De lägsta syrehalterna
har troligen orsakat problem för bottenle­
vande fisk och andra djuplevande djur.
2006
2007
Bornholmsdjupet, södra Östersjön
0
syre fosfat
ammonium
nitrat
nitrat ammonium
fosfat
10
koncentration (µmol/l)
Djup (m)
Bornholmsdjupet, södra Östersjön
temperatur
salinitet
syre15
svavelväte
2008
Södra Östersjön dynamiskt
Södra Östersjön är ett dynamiskt område,
som påverkas mycket av skiftande ström­
mar som transporterar vatten ut och in
genom Bältområdet och Öresund. Några
gånger per år förs salt och syrerikt vatten,
med sitt ursprung som Skagerraks ytvatten,
in i Östersjön. Då ökar syrehalten, vilket
leder till en närsaltsdynamik kopplad till
syreförhållandena. Då syre tillförs botten­
vattnet binds fosfat upp, och halten fosfat
minskar i vattnet. Nitrathalten, däremot,
ökar eftersom nitrifikationsprocessen
kommer igång då syre tillförs. Då syret
förbrukats i bottenvattnet ökar mängden
ammonium och fosfat i vattnet. Syreför­
ändringarna ger alltså en kraftig dynamik
mellan nitrat och ammonium i djupvatt­
net. Det förekommer kraftiga variationer
mellan år, vilket till stor del beror på att
mängden av syrerikt vatten som förs in i
Östersjön varierar. Störst effekt uppnås
under vintern om kallt och syrerikt vatten
med sitt ursprung i Nordsjön flödar in,
eftersom en stor mängd syre då tillförs
södra Östersjöns djupvatten.
Närsaltskoncentration (µmol/l)
0
Närsaltskoncentration (µmol/l)
m
l i v o c h r ö r e l s e i fri a vat t net
14
fosfat
nitrat
ammonium
12
10
8
6
4
2
-5
0
5
Syre (ml/l)
10
15
n Näringsförhållandena påverkas i hög
grad av syreförhållandena. Figuren visar
relationen mellan de oorganiska närings­
ämnena och syreförhållanden i södra
Östersjön (Bornholmsdjupet) för hela
vattenmassan under åren 2000 till 2008.
Stagnant vid Gotlandsdjupet
Vid Gotlandsdjupet är omsättningen av
djupvatten lägre än i södra Östersjön,
med vanligen flera års mellanrum mellan
inflöden av syrerikt vatten. Detta ger ett
stagnant bottenvatten som innehåller höga
halter av svavelväte.
I detta område är vattnet ned till 60
meters djup väl syresatt, med en syremätt­
nad nära 100 procent. Löst oorganiskt
kväve domineras här till över 90 procent
av nitrat.
Under 60 meters djup bildas ett språng­
skikt vilket leder till att syrehalten snabbt
sjunker med ökande djup. I själva språng­
skiktet ökar koncentration av nitrat. I det
syrefria djupvattnet under språngskiktet
ökar både fosfathalten och ammonium­
halten, medan nitrat helt saknas i det syre­
fria vattnet. Vid 70 meters djup har mäng­
den oorganiskt kväve mer än fördubblats
jämfört med ytvattnet, och mängden
oorganiskt fosfor, i form av fosfat, har
tredubblats. På 80 meters djup har syret
praktiskt taget förbrukats.
Exemplet från Gotlandsdjupet visar på
vikten av att hela vattenpelaren studeras för
att man ska få en riktig bild av dynamiken
mellan syre och näringsämnena. En stor
omsättningsaktivitet sker i språngskikten
mellan olika vattenmassor, och om endast
ytvattnet studeras kan detta ge en felaktig
bild av tillgänglig näring. S
29