Home About Browse Search
Svenska


Potential toxicity and chemical processes of aluminium addition for sediment phosphorus control in Östhammarsfjärden

Huser, Brian and Köhler, Stephan (2012). Potential toxicity and chemical processes of aluminium addition for sediment phosphorus control in Östhammarsfjärden. Uppsala, Sweden: (NL, NJ) > Dept. of Aquatic Sciences and Assessment, Sveriges lantbruksuniversitet. Rapport / Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för vatten och miljö ; 2012:02
[Report]

[img]
Preview
PDF
774kB

Abstract

The main goal of this project was to determine the potential effects on biota from aluminum addition to Östhammarsfjärden (Östhammar county) for reduction of internal phosphorus loading. Potential risks to biota in the water and sediment were summarized from reports and scientific publications as well modeling based on data from an enclosure experiment where aluminum was added to the sedi- ment in Löparöfjärden (Norrtälje county) during the summer 2011. Aluminium salts have been used to reduce phosphorus in water and limit internal phosphorus loading in lakes for over forty years. Aluminium toxicity in lakes is considered negligible under neutral pH conditions because reactivity and bioavailability are generally low when pH is between 6 and 9. The toxicology literature, however, largely supports the conclusion that there is some potential for alumi- nium toxicity from treatment using aluminium salts when pH is maintained in the neutral range in fresh waters. Continuous exposures to aluminium are more likely to have adverse effects on aquatic life than single dose applications of Al-salts. Hence, the potential for adverse effects with one-time aluminium treatments lie primarily with significant aluminium floc accumulation and subsequent dis- ruption of benthic invertebrate habitat. Other short-term effects are also possible, including reduced benthic invertebrate populations and stress to certain species of fish. Elevated concentrations of natural dissolved organic matter (DOM) capable of binding aluminium in the water of Östhammarsfjärden are likely to limit toxicity during and after application. Previous studies have shown that the effects are short (invertebrates) to medium term (fish), and aquatic communities affected by treatment with Al- salts generally rebound and improve from pre-treatment conditions due to increased water and habitat quality. A direct injection of aluminium to the sediment will likely limit much of the potential treat- ment impacts to plankton and fish in the water column. Given the lack of total and dissolved alumi- nium data in marine and brackish systems, it is difficult to compare the results from freshwater sys- tems directly. Although some authors recommend less restrictive limits for aluminium in marine wa- ters due to differing water chemistry, others propose more restrictive limits due to the potential for a greater diversity of aquatic species and potential toxicity to these species. Benthic species diversity appears to be somewhat poor in Östhammarsfjärden, potentially limiting any impact from treatment with Al. In addition, the experiment conducted in Löparöfjärden (which has similar water chemistry to Östhammarsfjärden) showed no significant effects on plankton, epifauna or benthic invertebrates after addition of aluminium to the sediment. Enclosure experiments were conducted at Löparöfjärden in 2011 where aluminium was added directly to the sediment and chemical data were collected. Modelling shows that elevated concentrations can be expected during the early phase after aluminium addition and that aluminium levels (mostly in the form of Al(OH)3 or soluble Al(OH)4- ) may be higher than what is expected from theoretical solubility calculations and in studied reference systems. Without additional data, it is difficult to explain why this occurred but aluminium solubility may be slightly enhanced under the pH and ionic strength (salt content) conditions found in the brackish water of Östhammarsfjärden. Organisms that are present in the water column may be exposed to elevated aluminium concentrations during a prolonged time pe- riod lasting from several days to weeks depending on the physical mixing of the water column after the addition. Based on the information in this report, use of aluminium salts is likely to be an effective method for reducing internal phosphorus loading in Östhammarsfjärden. Short term effects on aquatic biota should be expected, but long term improvements in the abundance and diversity of species should 27increase due to the improvement in water quality. Given the results from the Löparöfjärden experi- ment, the risk for negative effects on plankton, epifauna and benthic fauna present in Östham- marsfjärden should be low. Because there are very few data on full scale brackish water aluminium treatments, however, we recommend a complete chemical analysis including pH, alkalinity, total or- ganic carbon and major cations and anions during a full scale treatment for the sake of better under- standing of the on-going chemical processes during aluminium addition to brackish water. The data may also be useful for describing the process or process behind the slightly elevated aluminium con- centrations seen during the Löparöfjärden experiment. We also advise examination of sediment alumi- nium and phosphorus content as well monitoring of aquatic biota following treatment to assess the potential for long term impacts of treatment on sediment chemistry and the aquatic community.

Authors/Creators:Huser, Brian and Köhler, Stephan
Title:Potential toxicity and chemical processes of aluminium addition for sediment phosphorus control in Östhammarsfjärden
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Målsättningen med den här studien var att utreda möjliga biologiska effekter av aluminiumtillsats till Östhammarsfjärden (Östhammars kommun) för att minska fosforläckaget från bottensediment. Risk för påverkan på biota i vatten och sediment bedömdes med hjälp av rapporter, vetenskapliga publika- tioner samt modellering baserad på data från inneslutningsförsök med och utan aluminiumtillsats i Löparöfjärden (Norrtälje kommun) sommaren 2011. I sjöar har man i över fyrtio år använt aluminiumsaltlösning för att minska fosforhalten i vatten och sediment. Toxiciteten hos aluminium i sjöar bedöms vara försumbar under neutrala förhållanden, hu- vudsakligen på grund av att reaktiviteten och biotillgängligheten av aluminium vid ph 6-9 är väldigt låg. Den toxikologiska litteraturen stöder dock att det finns vissa möjliga biologiska effekter vid alu- miniumtillsättning till sött eller bräckt vatten vid circum-neutralt pH och att kontinuerlig exponering av aluminium har större negativa effekter på biota jämfört med en enstaka behandling. De potentiella negativa effekterna av enstaka aluminiumbehandlingar sammanhänger med mängden aluminiumhyd- roxidflock, en amorf mineralisk massa som påverkar bottenfaunans livsmiljö. Några andra möjliga negativa effekter inkluderar minskade bottenfaunatäthet och förhöjd fysiologiskt stress på fisk. Tidiga- re studier har dock visat att dessa effekter är kortvariga (veckor för bottenfauna) till medellånga (1-2 år för fisk) och att de akvatiska samhällena återhämtar sig och uppnår ett bättre miljötillstånd jämfört med innan behandlingen på grund av förbättrad vattenkemi och livsmiljökvalitet. Direkt inblandning av aluminium till sedimentet gör att behandlingseffekterna på plankton och fisk i vattnet minskar eller uteblir helt. Det är svårt att utifrån studier i sötvatten dra säkra slutsatser för brackvattensystem, efter- som experimentella data från aluminiumbehandling i bräckt eller salt vatten i princip saknas. En del studier rekommenderar mindre restriktiva begränsningar för aluminium i saltvatten på grund av att vattenkemin skiljer sig åt från sötvatten, andra förslår mer restriktiva begränsningar på grund av risken för negativa effekter med högre biologisk mångfald och ett större antal känsliga arter. Bottenfaunan i Östhammarsfjärden är sparsam och domineras av ett stort antal okänsliga arter typiska för påverkade system med låg kvalitet. Resultat från ett inneslutningsförsök i bräckt vatten (Löparöfjärden 2011) där aluminium tillsattes i sedimentet visades inga negativa effekter på biota under de fyra månader som försöket pågick efter behandlingen. Eventuella negativa effekter på bottenfaunan vid aluminiumtill- sättning bedöms därför blir obetydlig och kvalitén på bottenfauna samhället förväntas istället att öka på några års sikt. De aluminiumhalter som uppmättes i ett inneslutningsförsök i Löparöfjärden var högre än modellerade halter. Det kan inte uteslutas att dessa förhöjda halter, efter tillsats av aluminium i sedimentet, kan påverka vattenorganismer. Aluminiumlösligheten kan öka något under det pH och den jonstyrka (salt- halt) som råder i bräckt vatten men med de data som finns tillgängliga är det svårt att förklara varför detta har hänt. Den kemiska modelleringen baserades enbart på pH och uppmätta halter av aluminium, osäkerheterna för denna analys ökar utan en full kemisk analys och därför bör resultaten av modelle- ringen tolkas med försiktighet. Eftersom aluminiumhalterna var högre än vad som förväntades baserat på jämvikts beräkning med kristallin gibbsit är det nödvändigt att följa de kemiska processerna i fram- tida experiment för att fullt ut förstå de kemiska processer som sker. Aluminiumbehandling är troligtvis en bra metod för att minska fosforläckaget från sediment i Öst- hammarsfjärden. Eventuellt kan kortsiktiga effekter på biota uppstå om aluminiumhalterna i vattnet når upp i de koncentrationer som uppmättes i Löparöfjärdens inneslutningsförsök efter behandlingen där. Men de effekterna blir obetydliga jämfört med ökningen av det akvatiska samhällets ekologiska 5status efter behandling. Eftersom inneslutningsförsöken i Löparöfjärden inte visade på negativa effek- ter på biota efter aluminiumbehandlingen, bedöms risken för negativa konsekvenser på biota som låg med en fullskalig aluminiumbehandling i Östhammarsfjärden. Men eftersom det inte finns någon full- skalestudie av aluminiumbehandlingar i bräckt vatten är vår bedömning att det under och efter en fullskalig aluminiumbehandling behövs kompletta kemiska analyser av pH, alkalinitet, totalt organiskt kol, och katjoner och anjoner. Sedimentens halter av aluminium och olika fosforformer borde också undersökas för att utöka kunskapsbasen samt förståelsen för de kemiska processer som sker när man tillsätter aluminium till sediment i bräckt vatten.

Series/Journal:Rapport / Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för vatten och miljö (BIB14649843)
Year of publishing :2012
Number:2012:02
Number of Pages:37
Place of Publication:Uppsala, Sweden
Publisher:Institutionen för vatten och miljö, Sveriges lantbruksuniversitet
Language:English
Publication Type:Report
Article category:Other scientific
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:M Aquatic sciences and fisheries > M40 Aquatic ecology
P Natural resources > P10 Water resources and management
X Agricola extesions > X50 Chemistry
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Geosciences, Multidisciplinary
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Geochemistry
(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 105 Earth and Related Environmental Sciences > Oceanography, Hydrology, Water Resources
Agrovoc terms:aluminium, surface water, fish, sediment, aquatic environment, toxicology
Keywords:aluminium concentration, surface water, fish, sediment resuspension, aluminium concentration, aluminium salt treatment, aquatic life, toxicological effects
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-1780
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-1780
ID Code:10678
Faculty:NL - Faculty of Natural Resources and Agricultural Sciences (until 2013)
Department:(NL, NJ) > Dept. of Aquatic Sciences and Assessment
Deposited By: SLUpub Connector
Deposited On:12 Feb 2014 12:41
Metadata Last Modified:02 Dec 2014 11:02

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits