Phosphorus and its Fractionation in Bottom Sediments of Selected Lakes of Wielkopolskie Lakeland in Central and Western Poland

• Autorzy: Bryl Łukasz , Sobczyński Tadeusz

Warianty tytułu

PL

Fosfor i jego frakcje w osadach dennych wybranych jezior Pojezierza Wielkopolskiego w środkowej i zachodniej Polsce

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The role of phosphorus contained in bottom sediments of water reservoirs is crucial in the whole eutrophication process. It is an element responsible for the proper functioning of aquatic ecosystems, and its excess leads to deterioration of water quality. The release of phosphorus from bottom sediments directly into the water depends on many factors. This process is particularly intensified at the moment of anaerobic conditions occurring in the bottom layer, or the phenomenon of resuspension of sediments due to external factors, such as intense waving. The persistence of phosphorus deposition in sediments also depends on the nature of chemical connections and changing oxidation-reduction conditions, temperature and pH. Bottom sediments from eight selected lakes of Wielkopolskie Lakeland were investigated for their total phosphorus content and the possibility of its rerelease into water. The subject of the study were the following lakes: Wolsztyńskie, Winiary, Jelonek, Siekiera, Pniewskie, Umultowskie, Góreckie, Strykowskie. The investigated water reservoirs are glacial lakes, usually shallow and characterized by large variations in water level. The samples of bottom sediments were collected from profundal zone with a tube probe from the surface layer of 10 cm thickness, i.e. the layer that exchanges matter with the surrounding water. The collected sediments were placed in sealed, plastic containers to their full capacity. Before proceeding to carry out detailed laboratory analyzes, samples were prepared accordingly. First, the bottom sediments were thoroughly homogenized. Then, they were dried and subjected to further testing. The obtained results were statistically analyzed in the program Statistica 6 PL. Phosphorus was fractionated by means of a sequential extraction described by Psenner. The sediments were also analyzed for the content of phosphorus binding components such as organic matter, iron, aluminium and calcium. Phosphorus was found to be bound mostly to organic matter, aluminium and calcium – the fractions from which it was difficult to release into water. The share of exchangeable and most mobile and bioavailable iron-bound fraction of phosphorus was the lowest but it was still high enough to cause phytoplankton blooms. No clear relationships between the content of individual phosphorus-binding components and the share of phosphorus fractions related to them in total phosphorus pool were identified. Total content of phosphorus in the sediments of the investigated lakes was analogue and similar to that determined in bottom sediments of other eutrophic lakes of Wielkopolskie Lakeland. The content of aluminium, calcium, iron and organic matter were much more variable.

PL

Rola fosforu zawartego w osadach dennych zbiorników wodnych jest kluczowa w całym procesie ich eutrofizacji. Jest pierwiastkiem odpowiedzialnym za prawidłowe funkcjonowanie ekosystemów wodnych, a jego nadmiar prowadzi do pogorszenia się jakości wody. Uwalnianie się fosforu z osadów dennych bezpośrednio do toni wodnej zależy od wielu faktorów. Szczególnie proces ten intensyfikuje się w momencie pojawienia się w warstwie naddennej warunków beztlenowych, czy też zjawiska resuspensji osadów na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych, np. intensywnego falowania. Trwałość deopozycji fosforu w osadach zależy również od charakteru połączeń chemicznych oraz zmiennych warunków oksydacyjno-redukcyjnych, temperatury, a także pH. Badano osady denne z ośmiu wybranych jezior Pojezierza Wielkopolsko-Kujawskiego pod kątem całkowitej zawartości fosforu i potencjalnej możliwości jego ponownego uwalniania do toni. Przedmiotem badań były następujące jeziora: Wolsztyńskie, Winiary, Jelonek, Siekiera, Pniewskie, Umultowskie, Strykowskie, Góreckie. Badane zbiorniki wodne to jeziora polodowcowe, zwykle płytkie, charakteryzujące się dużymi wahaniami poziomu wody. Próbki osadów dennych pobierano za pomocą sondy rurowej z powierzchniowej warstwy osadu o miąższości 10 cm, czyli warstwy, która uczestniczy w wymianie materii z tonią. Pobrany osad umieszczano w szczelnych, plastikowych pojemnikach napełniając je do pełna. Przed przystąpieniem do przeprowadzania szczegółowych analiz laboratoryjnych próbki zostały odpowiednio przygotowane. W pierwszej kolejności osady denne dokładnie zhomogenizowano. Następnie wysuszono oraz przeprowadzono kolejne analizy. Uzyskane wyniki badań poddano analizie statystycznej w programie Statistica 6 PL. Frakcjonowanie fosforu realizowano na drodze ekstrakcji sekwencyjnej wg schematu zaproponowanego przez Psennera. Dodatkowo w osadach oznaczano materię organiczną oraz żelazo, glin i wapń, czyli składniki osadu wiążące fosfor. Stwierdzono, że w ogólnej puli fosforu poszczególnych osadów największy udział miały frakcje związane z materią organiczną i glinem oraz z wapniem, czyli stosunkowo trudniej uwalniane do toni. Udział frakcji wymiennej i związanej z żelazem, czyli frakcji najbardziej mobilnych, biodostępnych, był mniejszy co jednak było wystarczające, aby w wodach tych jezior występowały zakwity fitoplanktonu. Nie zaobserwowano natomiast wyraźnych zależności pomiędzy zawartością w osadach poszczególnych składników wiążących fosforany, a udziałem frakcji fosforu z nimi związanych w ogólnej jego puli. Łączna zawartość fosforu w osadach badanych jezior była analogiczna i podobna do tej stwierdzonej w osadach dennych innych eutroficznych jezior Pojezierza Wielkopolskiego. Zawartość glinu, wapnia, żelaza i materii organicznej była znacznie bardziej zmienna.

Słowa kluczowe

EN

lake; bottom sediments; phosphorus; fractionation of phosphorus; organic matter; iron; aluminium; calcium

PL

jezioro; osady denne; fosfor; frakcjonowanie fosforu; materia organiczna; żelazo; glin; wapń

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: Tom 21, cz. 2
• Strony: 1515--1532
• Opis fizyczny: Bibliogr. 49 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Bryl Łukasz

• Adam Mickiewicz University in Poznan, Poland
• PROTE Technologies for our Environment, Ltd., Poland

autor

Sobczyński Tadeusz

• Adam Mickiewicz University in Poznan, Poland

Bibliografia

• 1. Bartoszek, L. (2007). Wydzielanie fosforu z osadów dennych. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 42(240), 5-19.
• 2. Berleć, K., Traczykowski, A., Budzińska, K., Szejniuk, B., Michalska, M., Jurek, A., Tarczykowska, M. & Klimczak, I. (2013). Effectiveness of the Reclamation of Jelonek Lake Based on Selected Physical and Chemical Parameters of Water. Rocznik Ochrona Środowiska, 15(2), 1336-1351. (in Polish).
• 3. Bernaciak, A. & Mudrak, P. (2014). Czynniki warunkujące popyt na świadczenia rekreacyjne ekosystemów jeziornych miasta Gniezna. Turystyka i rekreacja w przestrzeni miast i regionów. Studia Periegetica. 12(2), 151-164.
• 4. Bojakowska, I. (2016). Phosphorus in lake sediments of Poland – Results of monitoring research. Limnol. Rev., 16(1), 15-25.
• 5. Bolałek, J. (2010). Fizyczne, biologiczne i chemiczne badania morskich osadów dennych. Gdańsk: Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego.
• 6. Bryl, Ł. & Wiśniewski, R. (2015). Efekty inaktywacji fosforu w osadach dennych Jeziora Wolsztyńskiego. Ochrona i rekultywacja jezior. PZiTS Oddział Toruń: 71-83.
• 7. Bryl, Ł., Wiśniewski, R. & Sobczyński, T. (2017). Rekultywacja jeziora Siekiera. Zmiany jakości wody i osadów dennych w okresie 2014-2016 r. Ochrona i rekultywacja jezior. PZiTS Oddział Toruń: 229-249.
• 8. Choiński, A. (2006). Catalogue of Polish Lakes. Poznań: Wyd. Nauk. UAM (in Polish).
• 9. Czerwieniec, E. (2003). Fosfor w środowisku wód powierzchniowych – wymiana między wodą a osadami dennymi. Mat. konf. III Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej „Postęp w Inżynierii Środowiska”, Rzeszów-Polańczyk, 321-327.
• 10. Gawrońska, H., Lossow, K., Łopata, M., Brzozowska, R. & Jaworska, B. (2007). Rekultywacja Jeziora Wolsztyńskiego metodą inaktywacji fosforu. Przegląd Komunalny, 6, 75-78.
• 11. Gnauck, A., Luther, B., Heinrich, R. & Hoffmann, A. (2002). Modelling and simulation of phosphorus dynamics in shallow lakes. 4th International Conference on Reservoir Limnology and Water Quality, Ceske Budejovice, Czech Republic, 98-101.
• 12. Gołdyn, R., Jankowska, B., Kowalczak-Pułyk, M., Tybiszewska, E. & Wiśniewski, J. (1996). Surface waters of Poznan, in: Environment of the City of Poznań. May J., Stelmasiak S., Kurek L., Ludwiczak I., Niezborała M. (Eds.). Total-Druk, Poznań, 1, 45-69. (in Polish).
• 13. Grochowska, J. & Gawrońska, H. (2004). Restoration effectiveness of a degraded lake using multi – year artificial aeration. Polish J. of Environ. Stud., 13(6), 671-681.
• 14. Grochowska, J., Brzozowska, R., Parszuto, K. & Tandyrak, R. (2017). Modifications in the trophic state of an urban lake restored by different methods. J. Elem., 22(1), 43-53.
• 15. Hermanowicz, W., Dojlido, J., Dożańska, W., Koziorowski, B. & Zerbe, J. (1999). Fizyczno- chemiczne badania wody i ścieków. Warszawa: Arkady.
• 16. Jańczak, J. (1996). The Atlas of Polish Lakes. Poznań: Bogucki Wyd. Nauk. 268. (in Polish).
• 17. Karwacka, A., Niedzielski, P. & Staniszewski, R. (2015). Assessment of Bottom Sediments from Selected Lakes of Poznań Region. Rocznik Ochrona Środowiska, 17(2), 1684-1698. (in Polish)
• 18. Katsev, S. & Dittrich, M. (2013). Modelling of decadal scale phosphorus retention in lake sediment under varying redox conditions. Ecological Modeling, 251, 246-259.
• 19. Kentzer, A. (2001). Fosfor i jego biologicznie dostępne frakcje w osadach jezior różnej trofii. Rozprawa habilitacyjna, Toruń: Wydawnictwo UMK.
• 20. Kleeberg, A., Herzog, Ch. & Hupfer, M. (2013). Redox sensitivity of iron in phosphorus binding does not impede lake restoration. Water Res., 47, 1491-1502.
• 21. Kostecki, M., Tytła, M., Kernert, J. & Stahl, K. (2017a). Temporal and spatial variability in concentrations of phosphorus species under thermal pollution conditions of a dam reservoir– the Rybnik Reservoir case study. Rocznik Ochrona Środowiska, 43(2), 42-52.
• 22. Kostecki, M., Janta-Koszuta, K., Stahl, K. & Łozowski, B. (2017b). Speciation forms of phosphorus in bottom sediments of three selected anthropogenic reservoirs with different trophy degree. Rocznik Ochrona Środowiska, 43(2), 44-49.
• 23. Kowalczewska-Madura, K., Gołdyn, R. & Dondajewska, R. (2010a). The bottom sediments of Lake Uzarzewskie – a phosphorus source or sink?. Oceanol. Hydrobiol. St., 39(3), 81-91.
• 24. Kowalczewska-Madura, K., Gołdyn, R. & Dondajewska, R. (2010b). Phosphorus release from the bottom sediments of Lake Rusałka (Poznań, Poland). Oceanol. Hydrobiol. St., 39(4), 135-144.
• 25. Lampert, W. & Sommer, U. (2001). Ekologia wód śródlądowych. Wydawnictwo Naukowe PWN.
• 26. Łopata, M., Augustyniak, R., Grochowska, J., Parszuto, K. & Tandyrak, R. (2019). Phosphorus Removal with Coagulation Processes in Five Low Buffered Lakes — A Case Study of Mesocosm Research. Water, 11, 1812.
• 27. Łukawska-Matuszewska, K. & Burska, D. (2011). Phosphate exchange across the sediment- water interface under oxic and hypoxic/anoxic conditions in the southern Baltic Sea. Oceanol. Hydrobiol. St., 40(2), 57-71.
• 28. Paerl, H.W., Xu, H., McCarthy, M.J., Zhu, G., Qin, B., Li, Y., & Gardner, W.S. (2011). Controlling harmful cyanobacterial blooms in a hyper-eutrophic lake (Lake Taihu, China): the need for a dual nutrient (N & P) management strategy. Water Res., 45(5), 1973-1983.
• 29. Psenner, R., Boström, B., Dinka, M., Pettersson, K., Pucsko, R. & Sager, M. (1988). Fractionation of phosphorus in suspended matter and sediment. Ergeb. Limnol., 30, 98-113.
• 30. Ripl, W. (1976). Biochemical oxidation of polluted lake sediment with nitrate – a new restoration method. Ambio., 5, 132-135.
• 31. Ross, G., Haghseresht, F. & Cloete, T.E. (2008). The effect of pH and anoxia on the performance of Phoslock®, a phosphorus binding clay. Harmful Algae., 7(4), 545-550.
• 32. Rybak, M., Joniak, T. & Sobczyński, T. (2015). The monitoring of nitrogren and phosphorus kontent in without-flow Lake after elimination of wastewater inflow. Proceedings of ECOpole, 9(2), 737-746.
• 33. Siwek, H. (2010). Speciation analysis of phosphorus in bottom sediments – comparison of two methods. J. Elem., 15(1), 161-170.
• 34. Siwek, H., Wesołowski, P. & Brysiewicz, A. (2014). Content of phosphorus and selected metals in bottom sediments of Starzyc lake under conditions of pulverizing water aeration. J. Elem., 19(4), 1099-1108.
• 35. Smith, V.H. & Schindler, D.W. (2009). Eutrophication science: Where do we go from here?. Trends Ecol. Evol., 24(4), 201-207.
• 36. Sobczyński T. (2009a). Phosphorus release from lake bottom sediments effected by abiotic factors. Rocznik Ochrona Środowiska, 35(2), 67-73.
• 37. Sobczyński T. (2009b). The effect of abiotic conditions on release of biogenic substances from bottom sediments. Oceanol. Hydrobiol. St., 38(1), 45-53.
• 38. Sobczyński T. & Joniak T. (2008). The Water chemistry variability in lace vertical profile as the effect of biocenosis and bottom sediments interactions. Ecology and Technology, 16(4), 170-176. (in Polish).
• 39. Sobczyński, T. & Joniak, T. (2009a). Vertical changeability of physical-chemical features of bottom sediments in three lakes in aspect type of water mixis and intensity of human impact. Polish J. of Environ. Stud., 18(6), 1093-1099.
• 40. Sobczyński, T. & Joniak, T. (2009b). Differences in composition and proportion of phosphorus fractions in bottom sediments of Lake Góreckie (Wielkopolska National Park). Environ. Protect. Eng., 35(2), 89-95.
• 41. Sobczyński, T., Joniak, T. & Pronin E. (2012). Assessment of the Multi-Directional Experiment to Restore Lake Góreckie (Western Poland) with Particular Focus on Oxygen and Light Conditions: First Results. Polish J. of Environ. Stud., 21(4), 1025-1032.
• 42. Sobczyński, J., Zerbe, H., Elbanowska, J. & Siepak, J. (1996) Mineralizacja próbek osadów dennych jako etap poprzedzający oznaczanie ogólnej zawartości metali ciężkich. Gospodarka Wodna, 6, 173-177.
• 43. Sobczyński, T., Zerbe, J., Elbanowska, H., Sajewska, K. & Siepak, J. (1996). Chemical examination of bottom sediments of the Góreckie Lake in the context of an anthropopressure impact evaluation. Ecology and Technology, 4(5-6), 17-22. (in Polish).
• 44. Sobczyński, T., Szwak, M., Zioła, A. & Siepak, J. (2004). Fractionation of aluminium from alluvial sediments. Environ. Protect. Eng., 30(4), 177-182.
• 45. Søndergaard, M., Jensen, J.P. & Jeppesen, E. (2003). Role of sediment and internal loading of phosphorus in shallow lakes. Hydrobiologia, 506(1), 135-145.
• 46. Wang, H., Appan, A. & Gulliver, J.S. (2003). Modelling of phosphorus dynamics in aquatic sediments: I-model development. Water Res., 37(16), 3928-3938.
• 47. Wiśniewski, R.J. (1995). Rola zasilania wewnętrznego w eutrofizacji zbiorników zaporowych. [w:] M. Zalewski. Procesy biologiczne w ochronie i rekultywacji nizinnych zbiorników zaporowych. Biblioteka Monitoringu Środowiska, Łódź, 61-70.
• 48. Wiśniewski, R., Ślusarczyk, J., Kaliszewski, T., Szulczewski, A. & Nowacki, P. (2010). "Proteus", a new device for application of coagulants directly to sediment during its controlled resuspension. Verh. Internat. Verein. Limnol., 30(9), 1421-1424.
• 49. Zerbe, J., Sobczyński, T. & Siepak, J. (1995). Heavy metals in sediments and their speciation by sequental extraction. Ecology and Technology, 3(3), 7-12. (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).