Chemical characteristics and behaviour of sediment phosphorus in the northeastern Baltic Sea

Chemical characteristics and behaviour of sediment phosphorus in the northeastern Baltic Sea Eutrophication is a severe environmental problem in the Baltic Sea, especially in the Gulf of Finland and the Archipelago Sea, and it is enhanced by the release of phosphorus (P) from bottom sediments. The release of P from sediment reserves largely depends on the occurrence of P in different chemical forms and on the prevailing conditions, especially on the presence of oxygen. This study examines the chemical character and the vertical distribution of sediment P in two shallow estuaries, in shallow coastal sediments overlain by oxic near-bottom water, and in poorly oxygenated open sea sediments in the northeastern Baltic Sea. The objective was to evaluate how much of the sediment P is buried and removed from the nutrient cycle, and how much of it is in forms that can be released from the sediment to the overlaying water over time. Relationships between the distribution of the different P forms and the chemical and physical properties of the sediment, sediment pore water, and near-bottom water were determined in order to examine the behaviour of P at the sediment-water interface. The results show that the chemical character of sediment P varied in the different areas. Generally, in the outer estuaries and in the organic-rich coastal areas in the eastern Gulf of Finland, the sediments were higher in P than the sediments in the poorly oxygenated open sea areas in the central and western Gulf. The estuary sediments that received erosion-transported material were characterised by P bound to hydrated oxides of iron and aluminum. Iron-bound P is sensitive to changes in redox-conditions, but part of it was buried in the estuaries, possibly because of high sedimentation rates and incomplete reduction of iron. The open sea sediments in the central and western Gulf of Finland were dominated by apatite-P, which was also abundant in the areas strongly affected by sediment transportation. The burial of sediment P was most effective in the areas rich in apatite-P, which is a relatively stable form of P in sediment. In the eastern Gulf of Finland, organic P forms predominated in the organic-rich sediments. A part of these P forms will be buried, while part will be degraded in the long term, releasing soluble P to the pore water. In the poorly oxygenated areas, iron compounds at the sediment surface are not able to retain P released during mineralisation of organic matter or reduction-induced dissolution of iron-compounds in deep sediment layers. However, in the shallow coastal areas overlain by oxic near-bottom water, the organic-rich surface sediment can also become temporarily reduced and release P from the sediment to the overlaying water. The considerable variation in the chemical composition of sediment P reserves in the northeastern Baltic Sea proved that it is an important factor and should be taken into account when evaluating the release of sediment P and the role of P reserves in bottom sediments in eutrophication.Sedimentin fosforin kemiallinen luonne ja käyttäytyminen koillisella Itämerellä Rehevöityminen on vakava ympäristöongelma Itämerellä, erityisesti Suomenlahdella ja Saaristomerellä. Sitä pahentaa fosforin (P) vapautuminen pohjasedimentin varastoista, mikä riippuu suurelta osin P:n kemiallisesta esiintymismuodosta sekä vallitsevista olosuhteista, erityisesti happitilanteesta. Tämä tutkimus tarkastelee sedimentin P:n kemiallista luonnetta ja vertikaalista jakautumista kahdessa matalassa estuaarissa sekä matalissa, hapellisen pohjanläheisen veden peittämissä rannikkosedimenteissä ja heikosti hapettuneissa avomerisedimenteissä koillisella Itämerellä. Tavoitteena oli arvioida, kuinka suuri osa sedimentin P:sta hautautuu ja poistuu ravinnekierrosta, ja kuinka suuri osa siitä on sellaisissa muodoissa, jotka voivat vapautua sedimentistä yläpuoliseen veteen ajan kuluessa. Eri fosforimuotojen jakaantumista verrattiin sedimentin, huokosveden ja pohjanläheisen veden kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin P:n käyttäytymisen selvittämiseksi sedimentti-vesi rajapinnassa. Tulokset osoittivat, että P:n kemiallinen luonne vaihteli eri alueilla. Yleensä estuaarien uloimmissa osissa ja itäisen Suomenlahden rannikkoalueiden sedimenteissä, joissa oli runsaasti orgaanista ainesta, oli enemmän P:a kuin keskisen ja läntisen Suomenlahden avomerialueiden sedimenteissä, jotka olivat heikosti hapettuneita. Estuaarisedimenttejä, joihin kertyi eroosion kuljettamaa materiaalia, luonnehti raudan ja alumiinin hydratoituihin oksideihin sitoutunut P. Rautaan sitoutunut P on herkkää hapetus-pelkistys olosuhteissa tapahtuville muutoksille, mutta osa siitä hautautuu estuaareissa, mahdollisesti suuren sedimentaationopeuden ja P:a sitovan raudan epätäydellisen pelkistymisen seuraksena. Keskisen ja läntisen Suomenlahden avomerisedimenteissä dominoi apatiittifosfori, jota oli runsaasti myös alueilla, joilta hienojakoinen sedimentti kulkeutui pois. Fosforin hautautuminen oli tehokkainta alueilla, joilla oli runsaasti apatiittifosforia, joka on varsin stabiili fosforimuoto sedimenteissä. Itäisellä Suomenlahdella, jossa sedimenteissä oli paljon orgaanista ainesta, orgaaniset fosforimuodot dominoivat. Osa niistä hautautuu, mutta osa hajoaa pitkällä aikavälillä vapauttaen liukoista P:a huokosveteen. Heikosti hapettuneilla alueilla sedimentin pinnan rautayhdisteet eivät pysty pidättämään mineralisaatiossa tai syvissä sedimenttikerroksissa pelkistymisen seurauksena rautayhdisteistä vapautunutta P:a. Myös matalilla rannikkoalueilla, joilla pohjanläheinen vesi on hapellista, voi runsaasti orgaanista ainesta sisältävä sedimentin pintakerros ajoittain pelkistyä ja vapauttaa P:a pohjanläheiseen veteen. Sedimentin fosforivarastojen kemiallisen koostumuksen merkittävä vaihtelu koillisella Itämerellä osoitti, että se on tärkeä tekijä ja tulisi ottaa huomioon arvioitaessa sedimentin P:n vapautumista ja pohjasedimenttien fosforivarastojen roolia rehevöitymisessä