9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΦΩΣΦΟΡΟΥ ΣΕ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΕΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΙΣ ΔΙΑΛΥΜΕΝΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΝΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Παρινός Κ., Μπελιάς Χ., Σκούλλος Μ., Δασενάκης Μ. Εργαστήριο Χημείας Περιβάλλοντος, Τμήμα Χημείας, Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, edasenak@chem.uoa.gr Περίληψη Η μεσεπιφάνεια ιζήματος-νερού αποτελεί μέρος όπου λαμβάνουν χώρα σημαντικές βιο-και γεω- χημικές διεργασίες. Η κυκλοφορία των διαφόρων μορφών των θρεπτικών συστατικών μεταξύ υγρής και στερεάς φάσης αποτελεί σημαντική παράμετρο για τη διατήρηση της σταθερότητας των παράκτιων οικοσυστημάτων. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι χημικοί μετασχηματισμοί που υφίστανται οι ενώσεις του φωσφόρου στη μεσεπιφάνεια ιζήματος-νερού κάτω από βαθμιαία μεταβαλλόμενες συγκεντρώσεις διαλυτού οξυγόνου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ακόμη και ελάχιστες μεταβολές της κατάστασης του δυναμικού οξειδοαναγωγής της υδατικής φάσης οδηγούν σε σημαντικές διαφοροποιήσεις της χημικής συμπεριφοράς καθώς και των σχετικών συγκεντρώσεων των διάφορων μορφών του φωσφόρου μεταξύ των δυο φάσεων. Λέξεις κλειδιά: Δυναμικό οξειδοαναγωγής, μεσεπιφάνεια ιζήματος-νερού, παράκτια συστήματα. RESPONSE OF PHOSPHOROUS SPECIES TO GRADUALLY CHANGING DISSOLVED OXYGEN CONCENTRATIONS. RESULTS OF A SIMULATION EXPERIMENT Parinos K., Belias C., Scoullos M., Dassenakis M. Laboratory of Environmental Chemistry, Department of Chemistry, National & Kapodistrian University of Athens, edasenak@chem.uoa.gr Abstract In natural systems, the sediment-water interface is the place where significant environmental bio-geo-chemical processes take place. The distribution of various forms of nutrients between liquid and solid phase is significant for the normal function of coastal ecosystems. The various chemical transformations that phosphorous species undergo near the sediment-water interface, under gradually changing dissolved oxygen concentrations, are studied in the present work. Results showed that even minor changes in the redox conditions of the aqueous phase have significant impacts on the chemical behaviour and relative concentrations of the various phosphorous species. Keywords: Redox, sediment-water interface, coastal management. 1. Εισαγωγή Στο θαλάσσιο περιβάλλον η μεσεπιφάνεια ιζήματος-νερού αποτελεί τη διαχωριστική γραμμή μεταξύ υγρής και στερεάς φάσης. Για πολλές χημικές ενώσεις τα ιζήματα αποτελούν τον τελικό αποδέκτη. Εντούτοις, οι ενώσεις αυτές μπορούν υπό την επίδραση διαφόρων παραγόντων να ανακυκλωθούν, μέσω της μεσεπιφάνειας, πολλές φορές μεταξύ των δυο φάσεων. Σε αυτή την ανακύκλωση συμβάλουν σε σημαντικό βαθμό οι διάφορες βιο- και γεω- χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στα στενά όρια της. Οι αυτότροφοι και ετερότροφοι μικροοργανισμοί που εμφανίζονται διευκολύνουν την οξείδωση των φυσικών οργανικών συστατικών προκαλώντας σημαντικές μεταβολές στο ph, το οξειδοαναγωγικό δυναμικό καθώς και την ιοντική της σύσταση. Ο φωσφόρος στο θαλάσσιο περιβάλλον απαντά κυρίως στην οξειδωτική κατάσταση +5 σε ποικιλία μορφών, τόσο διαλυτών όσο και σωματιδιακών. Σημαντικό τμήμα των διαλυτών φωσφορικών ενώσεων προέρχεται από οργανικές ενώσεις, καθώς υπολογίζεται ότι ο διαλυτός οργανικός φωσφό- -371-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι ρος αποτελεί το 0,5-3,4% του διαλυτού οργανικού φορτίου και συνίσταται κυρίως από RNA, DNA, πολυφωσφορικά και μερικές φωσφοπρωτεΐνες (Williams, 1975). Ο σημαντικότερος τρόπος μεταφοράς φωσφόρου από την υδάτινη στήλη στο ίζημα είναι μέσω της βιολογικής πρόσληψης και στη συνέχεια της καταβύθισης της σωματιδιακής οργανικής ύλης (Benitez-Nelson, 2000). Επίσης, ο φωσφόρος προσροφάται πάνω στην επιφάνεια των κελυφών μέσω επικαλυμμάτων οξυ-υδροξειδίων του σιδήρου και εν συνεχεία καταβυθίζεται. Πάνω από το 90% του σωματιδιακού φωσφόρου που καταλήγει στο ίζημα ανοργανοποιείται ξανά και απελευθερώνεται στο νερό των ιζημάτων (pore water). Οι διαδικασίες προσρόφησης και εκρόφησης επηρεάζονται σημαντικά από αλλαγές στο δυναμικό οξειδοαναγωγής. Αντικείμενο μελέτης της συγκεκριμένης εργασίας αποτέλεσε το εκβολικό σύστημα του Βοιωτικού Ασωπού ποταμού που βρίσκεται στον Ν. Ευβοϊκό κόλπο. Ο Ασωπός ποταμός αποτελεί εδώ και πολλά έτη τελικό αποδέκτη των περιβαλλουσών ανθρωπογενών δραστηριοτήτων με συνέπεια τη σημαντικότερη φθορά του γενικότερου οικοσυστήματος. Δύο σημαντικά χαρακτηριστικά του είναι η περιοδική ροή του νερού καθώς και η υψηλή διακύμανση των συγκεντρώσεων ρύπων καθ όλη τη διάρκεια του έτους. 2. Πειραματικό Μέρος Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η μελέτη της χημικής συμπεριφοράς των διαφόρων ενώσεων του φωσφόρου, καθώς και η μελέτη της κυκλοφορίας τους μεταξύ υγρής και στερεάς φάσης κατά τη δυναμική ισορροπία του ιζήματος με την υπερκείμενη στήλη νερού, κάτω από μεταβαλλόμενες συνθήκες επιπέδου διαλυτού οξυγόνου. Μελετήθηκε επίσης η ιδιαίτερη συμπεριφορά των ενώσεων, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο αυτή διαφοροποιείται σε συνθήκες τεχνητής επιμόλυνσης της υδατικής φάσης. Κύριος στόχος ήταν να κατανοηθεί ο ρόλος κάθε μιας από τις μορφές στις διάφορες βιο- και γεω- χημικές διεργασίες και να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα ως προς τον τρόπο με τον οποίο οι επικρατούσες οξειδωτικές συνθήκες επηρεάζουν την χημική τους συμπεριφορά. Η κατανόηση των βιο- και γεω- χημικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στις εκβολές των ποταμών και στις παράκτιες περιοχές γενικότερα, έχει πολύ μεγάλη σημασία για τον προσδιορισμό τόσο της ανθρωπογενούς επίδρασης όσο και της ικανότητας των εκβολικών συστημάτων να αντιστέκονται στην επίδραση αυτή χωρίς να υφίστανται ουσιαστική υποβάθμιση. Για την πραγματοποίηση της πειραματικής διαδικασίας χρησιμοποιήθηκε κατάλληλη πρότυπη πειραματική διάταξη. Η διάταξη ήταν εξοπλισμένη με ηλεκτρονικά συστήματα που επιτρέπουν τη διενέργεια εργαστηριακών πειραμάτων κάτω από ελεγχόμενα επίπεδα συγκέντρωσης διαλυτού οξυγόνου, θερμοκρασίας της υδατικής φάσης, κυκλοφορίας του ύδατος και φωτισμού. Ο ταυτόχρονος έλεγχος της σταθερότητας αλλά και η ρύθμιση κατά βούληση των παραπάνω παραμέτρων κρίθηκε καθοριστικής σημασίας για την ελεγχόμενη προσομοίωση περιβαλλοντικών καταστάσεων και ως εκ τούτου την επιτυχή διενέργεια της συνολικής πειραματικής διαδικασίας. Η διάταξη παρουσιάζεται στην Εικόνα 1. Για τη διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία και μεταφορά στο εργαστήριο επιφανειακού ιζήματος (πάχους περίπου 8cm) καθώς και του υπερκείμενου νερού, θαλασσινής αλατότητας, από τις εκβολές του Ασωπού ποταμού (Φεβρουάριος 2008). Η πειραματική φάση διάρκεσε 15 ημέρες και περιλάμβανε αρχικά, βαθμιαία μείωση της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου σε μια διαδικασία τριών σταδίων (έξι ημερών) μέχρι του σημείου της ανοξίας. Μετά από μια ανοξική περίοδο τριών ημερών η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου αυξήθηκε βαθμιαία, σε μια δεύτερη διαδικασία τριών σταδίων (έξι ημερών) έως ότου επανέλθει σε κανονικά επίπεδα. Ακολούθησε στη συνέχεια και δεύτερο όμοιο πείραμα με τη διαφορά ότι σε αυτή -372-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι τη περίπτωση έγινε τεχνητή επιμόλυνση της υδατικής φάσης ρυθμίζοντας με γνωστή προσθήκη τη συγκέντρωση των φωσφορικών ιόντων σε 70μmol/lt. Η θερμοκρασία της υδατικής φάσης και στα δύο πειράματα διατηρήθηκε μεταξύ 25.1 και 26.4 ο C, η κυκλοφορία του ύδατος προσαρμόστηκε στα 300lt/h ενώ ο φωτισμός, ακολουθούσε τον κύκλο του φυσικού φωτός. Εικ. 1: Η πειραματική διάταξη. Σε κάθε στάδιο συλλέχθηκε δείγμα υδατικής φάσης καθώς και επιφανειακού ιζήματος (πάχους 2 cm) προκειμένου να υπολογιστούν τα επίπεδα συγκεντρώσεων των διαφόρων μορφών φωσφόρου. Όλα τα υδατικά δείγματα αφού διηθήθηκαν με ηθμούς Millipore 0,45mm διατηρήθηκαν σε ψυγείο (4 ο C), αφού προστέθηκαν 3 σταγόνες χλωροφορμίου ως συντηρητικό, μέχρι την ανάλυση. Τα δείγματα των ιζημάτων διατηρήθηκαν σε κατάψυξη (-18 ο C) μέχρι την ανάλυση. Ο υπολογισμός του ολικού διαλυτού φωσφόρου (TDP) στα υδατικά δείγματα καθώς και του ολικού φωσφόρου των ιζημάτων (TP) έγινε με μια παραλλαγή της μεθόδου Valderama (Ladakis et al., 2003). Ο προσδιορισμός των φωσφορικών ιόντων (DIP) έγινε φωτομετρικά (Strickland et al, 1968) ενώ για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης του διαλυτού οργανικού φωσφόρου (DOP) αφαιρέθηκε ο ανόργανος από τον ολικό φωσφόρο (DOP= TDP- DIP). 3. Αποτελέσματα Τα αποτελέσματα των μετρήσεων των φυσικοχημικών παραμέτρων και οι συγκεντρώσεις των διαφόρων μορφών του φωσφόρου παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1: Φυσικοχημικές παράμετροι και συγκεντρώσεις μορφών φωσφόρου. Ημερομηνία Πείραμα 1ο (ppm) (% κορ.) ph Redox -373- Redox Ιζημ. PO 4-3 DOΡ TDΡ TP (mg/ gr) 27/02/08 5,10 51,0 7,93 19,5-196,6 0,14 0,81 0,95 3,13 29/02/08 3,76 39,5 7,97 10,4-246,8 0,16 1,07 1,23 3,56 02/03/08 2,00 32,8 8,07-12,4-266,8 0,19 1,77 1,96 3,98 05/03/08 0,38 5,6 8,12-106,0-215,0 0,29 2,13 2,42 4,33 07/03/08 1,85 27,0 7,96-34,5-182,9 0,40 1,82 2,22 4,09 09/03/08 3,85 58,8 7,97-9,8-163,1 0,25 0,97 1,22 3,87 11/03/08 5,01 69,8 8,01 3,7-152,1 0,08 0,21 0,29 3,32
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι Ημερομηνία Πείραμα 2ο (ppm) (% κορ.) ph Redox Redox Ιζημ. PO 4-3 DOΡ TDΡ TP (mg/ gr) 06/04/08 5,07 74,2 8,05 70,7-51,6 0,28 2,57 2,85 3,33 08/04/08 3,32 50,8 8,04 64,4-93,7 0,56 3,09 3,65 3,94 10/04/08 2,03 30,2 8,03 21,6-107,0 0,84 3,89 4,73 4,34 13/04/08 0,58 8,6 8,05 3,3-133,1 0,76 4,37 5,13 4,69 15/04/08 2,01 29,8 8,18 47,1-126,4 0,68 5,25 5,93 4,54 17/04/08 3,17 48,1 8,09 67,2-106,8 0,60 3,52 4,12 4,21 19/04/08 5,26 78,3 8,20 97,8-93,8 0,52 1,26 1,78 3,54 Σημαντικό συμπέρασμα της όλης πειραματικής διαδικασίας αποτελεί η παρατήρηση ότι πάνω από 90% των φωσφορικών ιόντων που προστέθηκαν εν ήδη τεχνητής επιμόλυνσης απομακρύνθηκαν προς το ίζημα εντός των δύο πρώτων ημερών της πειραματικής διαδικασίας. Το υπόλοιπο ποσοστό που παρέμεινε στην υδατική φάση εμφανίστηκε κυρίως με τη μορφή DOP. Το φαινόμενο αυτό πιθανώς να οφείλεται σε διεργασίες βιολογικής πρόσληψης ή προσρόφησης στην επιφάνεια των κελυφών. Παρόμοια συμπεριφορά παρουσιάζεται και σε αντίστοιχο πείραμα τεχνητής επιμόλυνσης με νιτρικά ιόντα (Parinos et al., 2008) όπου το αντίστοιχο ποσοστό απομάκρυνσης είναι περίπου 60%. Το σημείο αυτό είναι σημαντικό και απαιτεί βεβαιότατα αναλυτικότερη μελέτη στο μέλλον. 150,0 100,0 50,0 0,0-50,0-100,0-150,0 Redox H2O(RmV) 1 Redox H2O(RmV) 2 Εικ. 2: Δυναμικό Οξειδοαναγωγής Υδατικής Φάσης. 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 A B PO4-3 (μmol/lt) 1 PO4-3 (μmol/lt) 2 Εικ. 3: Φωσφορικά Ιόντα (DIP). Το δυναμικό οξειδοαναγωγής της υδατικής φάσης παρουσιάζει άμεση απόκριση στη μεταβολή -374-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι του διαλυμένου οξυγόνου (Εικ.2). Στην πρώτη φάση των πειραμάτων, η κατανάλωση του οξυγόνου και η επικράτηση ανοξικών συνθηκών στο νερό και την επιφάνεια του ιζήματος, οδηγεί στην αναγωγή ιόντων Fe(III) προς Fe(II), προκαλώντας την μετατροπή του δυσδιάλυτου FePO 4 σε ευδιάλυτη μορφή Fe 3 (PO 4 ) 2. Με τον τρόπο αυτό απελευθερώνονται ιόντα PO4-3 στην υδάτινη φάση (Belias et al., 2004) αυξάνοντας τη συγκέντρωσή τους (Εικ. 3Α). Η διεργασία αυτή εμφανίζεται πιο έντονη στην περίπτωση του δεύτερου πειράματος. Σε οξειδωτικό περιβάλλον (δεύτερη πειραματική φάση) παρατηρείται μείωση των συγκεντρώσεων των διαλυτών φωσφορικών ιόντων. Η απομάκρυνση φωσφορικών ιόντων από την υδατική φάση (Εικ. 3Β) γίνεται λόγω της οξείδωσης των ιόντων Fe(II) προς Fe(III), με επακόλουθο τον σχηματισμό αδιάλυτου FePO 4, καθώς και λόγω φαινομένων προσρόφησης και συμπλοκοποίησης φωσφορικών με κατακριμνιζόμενα κολλοειδή τύπου [Fe(OH)x] (Σκούλλος Μ., 1997). 6,00 A B 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 DOΡ (μmol/lt) 1 DOΡ (μmol/lt) 2 Εικ. 4: Διαλυτός Οργανικός Φώσφορος (DOP). 0,0-50,0-100,0-150,0-200,0-250,0-300,0 Redox Sediment (RmV) 1 Redox Sediment (RmV) 2 Εικ. 5: Δυναμικό Οξειδοαναγωγής Ιζήματος. Η αύξηση της συγκέντρωσης του DOP (Εικ. 6Α) στην πρώτη φάση των πειραμάτων αποτελεί ένδειξη του θανάτου μικροοργανισμών, λόγω σταδιακής επικράτησης ανοξικών συνθηκών, πράγμα που οδηγεί στην αυτόλυση κυττάρων, αποικοδόμηση βιομάζας και απελευθέρωση διαλυτών οργανικών μορφών φωσφόρου (Belias et al., 2004). Στο συμπέρασμα της βιολογικής προέλευσης συνηγορούν τα πολύ καλά αποτελέσματα συσχέτισης από την ανάλυση συμμεταβολής (p=0.009, s est =16.81, R 2 =71,0%) μεταξύ διαλυτού οργανικού φωσφόρου (DOP) και διαλυτού οργανικού αζώτου (DON) (Parinos et al., 2008) και για τα δύο πειράματα. Στη φάση επανοξυγόνωσης, η αύξηση της συγκέντρωσης του διαλυτού οξυγόνου οδηγεί σε σταδιακή αύξηση της βιομάζας των αερόβιων βακτηρίων που ενσωματώνουν διαλυτή οργανική ύλη με επακόλουθο τη μείωση των διαλυτών οργανικών μορφών φωσφόρου και της συγκέντρωσης του DOP (Εικ. 6Β). Η πολύ καλή συμμεταβολή -375-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι του DOP με το DON (Parinos et al., 2008) στη φάση αυτή και για τα δύο πειράματα, (p=0.019, s est =1.16, R 2 =62.7%) ενισχύει την ανωτέρω διατυπωθείσα υπόθεση. Στην περίπτωση των ιζημάτων, στην πρώτη φάση των πειραμάτων η μείωση της συγκέντρωσης του διαλυτού οξυγόνου έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του δυναμικού οξειδοαναγωγής (Εικ. 5) και την αύξηση της συγκέντρωσης του ολικού φωσφόρου (Εικ. 6Α). Η αύξηση αυτή πρέπει να οφείλεται στην καθίζηση οργανικού φωσφόρου ο οποίος αυξάνει και στην υδάτινη στήλη. Μια άλλη πηγή φωσφόρου στο επιφανειακό ίζημα είναι τα βαθύτερα (και πλέον ανοξικά) στρώματα του ιζήματος όπου η αναγωγή του τρισθενούς σιδήρου σε δισθενή οδηγεί στην απελευθέρωση φωσφορικών ιόντων τα οποία μέσω των νερών των πόρων κινούνται προς την επιφάνεια (Μπελιάς Χ., 2004). 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 A B Sed. TP (mg/gr)1 Sed. TP (mg/gr)2 Εικ. 6: Ολικός Φώσφορος Ιζήματος (ΤP). Στη δεύτερη φάση του πειράματος η αύξηση της συγκέντρωσης του διαλυτού οξυγόνου στο νερό είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του δυναμικού οξειδοαναγωγής και τη σταδιακή επικράτηση οξειδωτικών συνθηκών σε όλο τον όγκο του ιζήματος, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της επιφανειακής συγκέντρωσης του φωσφόρου στο ίζημα καθώς οι οργανικές ενώσεις αποικοδομούνται. 4. Βιβλιογραφικές Αναφορές Belias, C., Dassenakis, M. & Scoullos M., 2004. Study of the N, P and Si fluxes between fish farm sediment and seawater. Results of simulation experiments employing a benthic chamber under various redox conditions. Marine Chemistry 103 (2007) 266 275. Benitez-Nelson, C.R., 2000. The biogeochemical cycling of phosphorus in marine systems. Earth-Science Reviews 51, 109-131. Strickland, J.D.H. & Parsons, T.R., 1968. Fisheries Research Board of Canada. A Practical Handbook of Seawater Analysis. pp. 49-52, 65-70, 71-76, 77-80, 87-92. Ladakis, M., Belias, C., Dassenakis, M., Scoullos, M. & Salta, F., 2003, An effective oxidation method for the simultaneous determination of nitrogen and phosphorus in marine sediments. 3rd International Conference IMA, 23-27 September 2003 Thesalloniki, Greece, pp 381-384. Parinos K., Belias C., Scoullos M., and Dassenakis M., 2008, Responce of nitrogenous species to gradually changing dissolved oxygen concentrations. Results of a simulating experiment. 3rd International Conference Aqua 2008, 16-18 October 2008, Athens, Greece. Williams, P.J., 1975. Biological and chemical aspects of dissolved organic material in sea water, 2 nd ed. In: Riley J.P., Skirrow G., (Eds.), Chemical Oceanography, vol II. Academic Press, 301. Μπελιάς, Χ., 2004. Διερεύνηση των σχέσεων ιχθυοκαλλιεργητικών μονάδων με το θαλάσσιο περιβάλλον: ισοζύγια αζώτου, φωσφόρου και πυριτίου σε ιχθυοκαλλιέργεια της δυτικής Ελλάδος Διπλωματική εργασία Σκούλλος, Μ., Χημική Ωκεανογραφία. Μια εισαγωγή στη χημεία του θαλάσσιου περιβάλλοντος, Αθήνα, 1997. -376-