Samenvatting IJzeradditie als herstelmaatregel De - NIOO-KNAW

Samenvatting
IJzeradditie als herstelmaatregel
De toename van voedingsstoffen in ondiepe meren heeft wereldwijd geleid tot een afname
van de waterkwaliteit, waardoor heldere, door planten gedomineerde plassen zijn veranderd in
troebele, door cyanobacteriën gedomineerde plassen. Ook al is de toestroom van
voedingsstoffen (fosfor, P) vanuit externe bronnen in Europa en Noord-Amerika al sterk
afgenomen, toch wordt het herstel van deze meren vaak nog belemmerd door interne
fosfaatbelasting vanuit de bodem, die in de afgelopen decennia is ontstaan door een ophoping
van voedingsstoffen in het sediment. Verschillende herstel-experimenten waarbij men
chemische fosfaatbindende stoffen, zoals aluminium, kalk of ijzer, aan een meer heeft
toegevoegd, hebben met succes de fosfaatbeschikbaarheid in het water kunnen verlagen en de
fosfaatbinding van de bodem kunnen verhogen. Dit heeft geresulteerd in een verschuiving in
het systeem van fytoplankton dominantie naar planten (macrofyten) dominantie.
Van de verschillende fosfaatbindende stoffen is ijzer (Fe) de stof die vaak in hoge
concentraties te vinden was in meren en wel door aanvoer via ijzerrijk kwel. Veranderingen in
grondwaterstanden hebben er echter voor gezorgd dat de aanvoer van ijzerrijk kwelwater is
afgenomen. Het toevoegen van een stof die van nature in grote hoeveelheden in meren
voorkomt heeft de voorkeur boven het toevoegen van stoffen die niet of in mindere mate
worden aangetroffen in deze meren. Ondanks het feit dat Fe als fosfaatbindende stof
weliswaar positieve effecten kan hebben voor de diversiteit van het aquatische ecosysteem,
kan het toevoegen van grote hoeveelheden ook negatieve effecten hebben, aangezien hoge
concentraties ijzer giftig kunnen zijn. Hoewel ijzer voor veel organismen een essentiële
voedingsstof is voor de groei, kan een overdaad schadelijk zijn, hetzij direct als gevolg van
toxische effecten, hetzij indirect als gevolg van neerslag van ijzerhydroxiden. Deze neerslag
kan de kwaliteit en beschikbaarheid van voedsel verslechteren, kan de structuur van het
habitat veranderen en kan zich hechten aan vitale delen van aquatische organismen, wat kan
zorgen voor stress en weefselschade. Studies naar de toxiciteit van ijzer laten grote verschillen
zien in resistentie van verschillende aquatische organismen. Dit kan leiden tot een
verschuiving in de soortensamenstelling naar meer ijzer resistente soorten (Hoofdstuk 2).
Het doel van deze studie is het testen of ijzer, in de doseringen die worden gebruikt
tijdens herstelmaatregelen, schadelijk is voor waterplanten, aangezien deze organismen
verwacht worden terug te komen na het toevoegen van ijzer en de daarmee samenhangende
verbetering van de waterkwaliteit. In dit proefschrift heb ik dit onderzocht aan de hand van
laboratorium experimenten waarbij ik heb gekeken naar de effecten van het toevoegen van
ijzer op de groei van vier verschillende waterplanten. Daarnaast heb ik deze effecten ook
getest aan de hand van veldexperimenten, die op kleine schaal werden uitgevoerd in
afgesloten proefvijvers en op grote schaal in de ondiepe veenplas Terra Nova.
De effecten van ijzeradditie werden in het laboratorium onderzocht op basis van doses
van 20 en 40 g Fe m-2. Daarbij werd gekeken naar het effect op groei, overleving, concentratie
en verdeling van de voedingsstoffen en kiemkracht van vier verschillende waterplanten,
zowel snelgroeiende soorten als soorten met een hogere conserveringswaarde (Hoofdstuk 3 en
4). De groei van Elodea nuttallii en Chara virgata werd niet beïnvloed door ijzeradditie,
terwijl de groei van Potamogeton pectinatus en C. globularis afnam bij toenemende
concentraties toegevoegd ijzer. Toch nam de biomassa van alle soorten toe vergeleken met de
startcondities. Daarnaast kiemden tijdens de experimenten verschillende kranswieren uit het
sediment, een proces dat niet werd gehinderd door de toevoeging van ijzer aan het water of
het sediment. De afname in groei van P. pectinatus en C. globularis bij de hoge ijzeraddities
kan zijn veroorzaakt door licht limitatie, aangezien de concentraties neergeslagen ijzer in het
water en op het oppervlak van de waterplanten bij de hoge ijzeraddities significant waren
toegenomen. In de laboratorium experimenten is het ijzer gedurende korte periodes van
slechts 5 en 12 weken in kleine proefopzetten toegevoegd, maar in het veld kan de dosering
worden uitgespreid over veel langere periodes en zal de dosering verder worden verdund door
de grotere kolom water boven de waterbodem. Negatieve effecten van ijzeradditie, zoals de
formatie van ijzerhydroxides, maar ook een afname in pH en buffervermogen, zullen daardoor
minder dramatisch zijn. Veldexperimenten met de getransplanteerde waterplanten E. nuttallii,
C. virgata en Myriophyllum spicatum in afgesloten proefvijvers lieten inderdaad zien dat de
groei en overleving niet werden beïnvloed door de hogere concentraties ijzer in de ijzerrijke
vijver (welke vooraf was behandeld met 85 g Fe m-2) indien vergeleken met groei en
overleving in de ijzerarme vijver (Hoofdstuk 5).
Tijdens het veld experiment in de veenplas Terra Nova werd 33 g Fe m-2 over een
periode van 1,5 jaar langzaam in de waterkolom gedoseerd. Gedurende de periode van
ijzeradditie en een periode van twee jaar daarna heb ik de ontwikkeling van de onderwater
vegetatie
(waterplanten),
de
samenstelling
van
de
zoöplankton
en
fytoplankton
gemeenschappen en de nutriënten concentraties in het meer gevolgd. Het veldexperiment
resulteerde in een verbetering van de waterkwaliteit, waarbij na een periode van 1,5 jaar ijzer
toevoegen de hoeveelheid fosfor (P), het aantal opgeloste deeltjes en de hoeveelheid chlorofyl
in de waterkolom aanzienlijk waren afgenomen, zonder negatieve effecten te hebben op de
aquatische flora en fauna (Hoofdstuk 6). De verbetering van de waterkwaliteit en de toename
van het doorzicht in het water vielen samen met de terugkeer van waterplanten in de veenplas,
een proces dat onveranderd bleef tijdens de twee jaar na het stoppen van de ijzeradditie. Toch
zorgde de reactie van opgelost organisch koolstof met ijzer voor een daling van de
beschikbare hoeveelheid ijzer noodzakelijk voor het vormen van een fosfaat-barrière op het
grensvlak van het water en de bodem van het meer. Het gevolg was dat de P concentraties in
het water, nadat de ijzeradditie was gestopt, langzaam stegen naar de waarden van voor het
veldexperiment.
IJzeradditie in vergelijkbare organische meren met een hoge consumptie van ijzer (of
hoge concentraties van andere stoffen die reageren met ijzer, zoals sulfaat) moet daarom
worden herhaald of worden uitgevoerd met een overschot aan ijzer, dit om te voorkomen dat
de behandeling geen effect heeft (op P). Om ook op de lange termijn het succes van
ijzeradditie te garanderen moet een overschot aan ijzer worden toegevoegd om op deze wijze
een molaire Fe:P verhouding ≥ 7 te bereiken, een verhouding waarbij de P-bindingscapaciteit
van de waterbodem kan worden verzekerd. Daarnaast moet de dosering worden uitgevoerd
over een langere periode van enkele maanden tot jaren om de eerder genoemde vorming en
opeenstapeling van ijzerhydroxiden te voorkomen. Als alternatief kan ook gekozen worden
voor andere chemische fosfaatbindende stoffen zoals aluminium, dat een onomkeerbare
verbinding vormt met P.
Andere factoren die het lange termijn succes van ijzeradditie kunnen verstoren zijn een
hoge externe fosfaatbelasting, die moet worden aangepakt voordat er kan worden gestart met
ijzeradditie, en een overvloed aan bodem-omwoelende en plankton etende vis. IJzeradditie in
Terra Nova ging vergezeld van biomanipulatie maatregelen, die de hoeveelheid bodemomwoelende vis aanzienlijk hebben verminderd. Daarnaast kunnen ook invasieve
zoetwaterkreeften de terugkeer van waterplanten belemmeren, zoals de invasieve
zoetwaterkreeft Procambarus clarkii die de biomassa en overleving van de getransplanteerde
waterplanten in de proefvijvers sterk verminderde (Hoofdstuk 5). Deze kreeften verhinderen
de terugkeer van waterplanten niet alleen door directe consumptie, maar ook door het
vertroebelen van de waterkolom door sediment resuspensie, door het vernietigen van de
waterplant biomassa via niet-consumptie gerichte versnippering en het door veranderen van
de waterplant gemeenschap als gevolg van selectieve consumptie (Hoofdstuk 5). Verbetering
van de waterkwaliteit alleen zal dus niet altijd leiden tot een terugkeer van waterplanten als
gevolg van continue onderdrukking van de groei door bodem-omwoelende vis en invasieve
zoetwaterkreeften.
Verschillen in reacties van uiteenlopende organismen op ijzeradditie kunnen leiden tot
een verandering in de samenstelling van het aquatisch milieu, waarbij de meer ijzer-tolerante
soorten een voordeel zullen hebben. De lange termijn effecten van ijzeradditie op het
aquatisch milieu zijn echter relatief onbekend. In ieder geval zal ijzeradditie indirect zorgen
voor een verschuiving van de waterkwaliteit van eutroof naar mesotroof, wat uiteindelijk de
belangrijkste invloed zal hebben op de diversiteit van het aquatisch milieu. Om het succes van
ijzeradditie ook voor de lange termijn te kunnen garanderen moeten de chemische en
biologische factoren die de P-bindingscapaciteit van de waterbodem kunnen verminderen of
de terugkeer van waterplanten kunnen belemmeren, voor of tijdens de ijzeradditie worden
aangepakt.
Voorspellen van cyanobacterie drijflaagvorming
Herstelmaatregelen zoals ijzeradditie kunnen de toestand van een meer doen verschuiven van
een door cyanobacteriën gedomineerde staat naar een door waterplanten gedomineerde staat.
In sommige gevallen zijn deze effecten echter alleen zichtbaar op de langere termijn.
Daarnaast is er steeds meer bewijs dat de opwarming van de aarde kan leiden tot een toename
van cyanobacteriën, die tot op zekere hoogte de inspanningen van herstelmaatregelen
ongedaan kunnen maken. Bovendien is vermesting op globale schaal nog steeds een groot
probleem, dit terwijl de externe fosfaatbelasting in Europa en Noord-Amerika geleidelijk
daalt. Om de bevolking te beschermen tegen ongewenst contact met deze giftige drijflagen en
de periode te overbruggen die nodig is om de waterkwaliteit volledig te herstellen, is het
voorspellen
van
drijflaagvorming
van
cyanobacteriën
mogelijk
een
oplossing.
Voorspellingsmodellen hebben al met succes drijflaagvorming in open water voorspeld,
waarbij zowel de tijd als de plaats van vorming correct werd voorspeld. Voorspelling van
drijflagen in meer beschutte gebieden blijft echter nog een probleem, en recreatiegebieden
zijn vaak beschutte locaties. Een mogelijke verklaring voor deze mismatch tussen de
modelvoorspellingen en de daadwerkelijke drijflaagvorming in beschutte locaties kan zijn dat
de voorspellingsmodellen vaak gebruik maken van drijflaag eigenschappen en kenmerken van
maar één soort (Microcystis sp.), terwijl verschillende soorten cyanobacteriën drijflagen
kunnen vormen. Aangezien drijflagen van cyanobacteriën kunnen verschillen in hun reactie
op turbulentie zouden de voorspellingsmodellen kunnen worden verbeterd door onze kennis
van turbulentie effecten op verschillende soorten cyanobacteriën en hun drijflagen uit te
breiden.
In het laatste deel van dit proefschrift heb ik daarom het effect van turbulentie
(gecreëerd door een oscillerend grid) op het verdwijnen en vormen van drijflagen van de
beruchte drijflaagvormende soort Aphanizomenon flos-aquae en de minder bekende, maar wel
steeds vaker voorkomende Woronichinia naegeliana experimenteel onderzocht (Hoofdstuk
7). Een combinatie van dieptemetingen in grote 920 L tanks (Limnotrons) en turbulentie
modelvoorspellingen liet zien dat de drijflagen van de twee geteste soorten verschilden in hun
reactie op toenemende grid oscillatie frequenties, waarbij Aphanizomenon een stabielere
drijflaag vormde dan Woronichinia.
Bij afnemende grid oscillatie frequenties, vanaf de hoogste intensiteit tot 0 Hz, vormde
Woronichinia een drijflaag nadat het mixen compleet was gestopt. Aphanizomenon bleek
echter niet volledig hersteld na de intense menging en de verdeling van cellen over de diepte
was aan het eind van het experiment gelijk aan de celverdeling die was gemeten aan het begin
van het experiment. Deze verschillen het gedrag van drijflagen, namelijk de weerstand tegen
turbulentie en wrijving, benadrukken het belang van het identificeren van de dominante
soorten cyanobacteriën in een meer. Voorspellingsmodellen voor ondiepe meren kunnen
daarom worden verbeterd door het gebruiken van soort specifieke informatie van de
dominante soort in het betreffende meer, hetgeen uiteindelijk zal zorgen voor betere,
nauwkeurigere modelvoorspellingen.
Vermesting, klimaatverandering en onevenwichtige voedselwebben zijn enkele van de vele
factoren die hebben geleid, en in de nabije toekomst zullen leiden, tot toenemende dominantie
van cyanobacteriën in ondiepe meren. Dit proefschrift heeft aangetoond dat wij als
wetenschappers, beleidsmakers, waterschappen en andere watergebruikers in staat zijn om
verdere degradatie van onze meren te voorkomen. Aangezien de realisatie van een aantal van
deze veranderingen veel tijd vraagt, kunnen in de tussentijd drijflaag voorspellingsmodellen
worden ingezet om de recreanten te beschermen tegen onvoorziene en ongewenste
ontmoetingen met giftige drijflagen.
Wetenschappelijk abstract
De toename van voedingsstoffen in ondiepe meren heeft wereldwijd geleid tot een afname
van de waterkwaliteit, waardoor heldere, door planten gedomineerde plassen zijn veranderd in
troebele, door cyanobacteriën gedomineerde plassen. Ook al is de toestroom van
voedingsstoffen (fosfor, P) vanuit externe bronnen in Europa en Noord-Amerika al sterk
afgenomen, toch wordt het herstel van deze meren vaak nog belemmerd door interne
fosfaatbelasting vanuit de bodem, die in de afgelopen decennia is ontstaan door een ophoping
van voedingsstoffen in het sediment. Verschillende herstel-experimenten waarbij men ijzer als
fosfaatbindende stof aan een meer heeft toegevoegd hebben met succes de
fosfaatbeschikbaarheid in het water kunnen verlagen. Ondanks het feit dat ijzer als
fosfaatbindende stof weliswaar positieve effecten kan hebben voor de diversiteit van het
aquatische ecosysteem, kan het toevoegen van grote hoeveelheden ijzer ook negatieve
effecten hebben, aangezien hoge concentraties ijzer giftig kunnen zijn. Verschillen in reacties
van uiteenlopende organismen op ijzeradditie kunnen leiden tot een verandering in de
samenstelling van het aquatisch milieu, ten voordele van de ijzer-tolerante soorten. De lange
termijn effecten van ijzeradditie op het aquatisch milieu zijn echter relatief onbekend. In ieder
geval zal ijzeradditie indirect zorgen voor een verschuiving van de waterkwaliteit, wat
uiteindelijk de belangrijkste invloed zal hebben op de diversiteit van het aquatisch milieu. Om
het succes van ijzeradditie ook voor de lange termijn te kunnen garanderen moeten chemische
en biologische factoren die de P-bindingscapaciteit van de waterbodem kunnen verminderen
of de terugkeer van waterplanten kunnen belemmeren, voor of tijdens de ijzeradditie worden
aangepakt.

Download Report