Pellolta veteen joutunut maa-aines päätyy lopulta vesistön pohjasedimentiksi. Maa-ainekseen on sitoutunut fosforia. Tämän fosforin kohtalo on tärkeää tuntea, jotta laajasti käytetty maatalouden ympäristötoimenpide, eroosiontorjunta, voidaan kohdentaa oikein.
Pohjasedimentissä tapahtuu kemiallisia muutoksia, mutta niistä on vain vähän tietoa. Siksi muutoksia ei ole voitu ottaa huomioon, kun on arvioitu maa-ainekseen sitoutuneen fosforin käyttökelpoisuutta leville – ja siten vaikutusta vesien rehevöitymiseen.
Sedimentissä tapahtuviin muutoksiin vaikuttaa vesistön rehevöitymisen aste. Vesistön rehevöitymisen kiihtyessä pohjalle päätyy yhä enemmän eloperäistä ainesta. Pohjan hapettomissa oloissa aines hajoaa. Hajoaminen vaikuttaa pohjasedimentin ominaisuuksiin, esimerkiksi sedimentissä olevan raudan kykyyn sitoa fosforia. Jos fosfori on sidottuna, se ei ole levien käytössä.
Tammikuussa valmistuneessa pro gradu -työssäni pyrin valaisemaan pohjasedimenttien kemiallisia muutoksia röntgenfotoneiden avulla. Työni mittaukset tehtiin viidellä eri maa-aineksella, joiden matkaa pellolta sedimenttiin simuloitiin hapettomissa oloissa tehdyillä muhituksilla.
Mittauksissa havaittiin muun muassa se, että kun näytteisiin lisättiin eloperäistä hiiltä, rautaoksidit pelkistyivät hapettomissa olosuhteissa rautasulfideiksi. Rautasulfidit eivät pysty sitomaan fosforia, joka näin ollen vapautuu rehevöittämään vesistöä. Hiilen lisäämisellä jäljiteltiin levien tuottaman eloperäisen aineksen vaikutusta pohjan olosuhteisiin.
Spektroskopia avuksi
Pohjasedimentin muutosten tutkiminen oli mahdollista röntgenabsorptiospektroskopian avulla. Se mahdollistaa maa-aineksen kemiallisen tilan seurannan alkuainekohtaisesti. Esimerkiksi rautaoksidin pelkistyminen rautasulfidiksi on mahdollista havaita siten, että mitataan ensin paljon rautaoksideja sisältävä maa-ainesnäyte ja toistetaan mittaus samalla maa-ainesnäytteellä hapettomissa oloissa tehdyn inkuboinnin, eli eräänlaisen haudutuksen jälkeen.Vertaamalla maa-aineksesta mitattuja spektrejä tunnettujen referenssinäytteiden spektreihin pystytään arvioimaan muodostuneiden yhdisteiden määriä.
Röntgenabsorptiospektroskopia on teknisesti helppo mittaus: näyte valaistaan röntgenlähteellä, joka tuottaa vain halutun aallonpituuden röntgenfotoneja. Sitten mitataan näytteen läpäisseiden eri energian omaavien fotonien lukumäärä. Tyypillisesti absorptiospektroskopia on vaatinut synkrotronin käyttöä. Synkrotroni on erittäin kirkas röntgenlähde, eikä sellaista ole Suomessa, ja ulkomaillakin niiden käyttöajat ovat kortilla. Helsingin yliopiston röntgenlaboratorioon pari vuotta sitten rakennettu röntgenabsorptiospektrometri mahdollistaa absorptiospektroskopiamittaukset kotimaassa ja ilman aikarajoituksia.
Pro gradu -työssäni kehitin tekniikan veteen sekoitetun maa-aineksen mittaamiseen röntgenabsorptiospektroskopialla hapellisissa ja hapettomissa olosuhteissa. Mittausta varten näytteet geeliytettiin hyytelöitymisaine Agar agarin avulla hapettomissa olosuhteissa anaerobikaapissa ilmatiiviiseen näyteympäristöön. Näyteympäristöksi suunnittelin kahdeksanpaikkaisen ilmatiiviin kiekon, joka motoroituna mahdollistaa jatkuvat automaattiset mittaukset.
Työssäni mitattu näytesarja oli kohtalaisen pieni, ja työn tarkoitus olikin kehittää menetelmä, jota voi soveltaa suurempaan näytesarjaan. Samassa vedessä -hankkeen rahoitus mahdollisti pro gradu -työni, ja se mahdollistaa myös kaksi pro gradu -työtä seuraavalle gradusukupolvelle.
He pääsevät soveltamaan menetelmää suurempaan määrään näytteitä ja useammille alkuaineille. Joitain mittauksia on todennäköisesti jatkossa tarpeen tehdä myös synkrotronilla ulkomailla. Näin muodostuu tarkka kuva siitä, kuinka eroosio vaikuttaa pohjasedimenttien prosesseihin. Tarkan tilannekuvan avulla on mahdollista valita rehevöitymistä parhaiten vähentävät toimet maataloudessa.
Antti-Jussi Kallio Helsingin yliopistosta toimii tutkijana Samassa Vedessä -hankkeen osatutkimuksessa Maa-ainesfosforin vapautuminen vesistöissä.
etunimi.sukunimi@helsinki.fi
Samassa Vedessä -hanke
Tilaa Samassa Vedessä –hankkeen blogit sähköpostiisi. Niitä ilmestyy noin kerran kuukaudessa.