Ecologische Monitoring Kustverdedigingsproject Oostende (t0-situatie, fase 3)
AANVULLENDE STUDIE:
KWANTIFICERING EN KWALIFICERING VAN ORGANISCH MATERIAAL IN MARIENE SEDIMENTEN: HUN ONDERLINGE RELATIES EN DE RELATIE TOT DE KORRELGROOTTEVERDELING
MDK dossiernummer 205.240
RAPPORT Juli 2008
Jan Vanaverbeke, Bart Beuselinck, Ulrike Braeckman, Carl Van Colen, Marleen De Troch,Tom Moens, Annelien Rigeaux, Danielle Schram, Dirk Van Gansbeke, Magda Vincx, Steven Degraer *
Universiteit Gent, Vakgroep Biologie, Sectie Mariene Biologie, Krijgslaan 281/S8, B-9000 Gent* *Huidig adres: : Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen, Beheerseenheid van het Mathematisch Model van de Noordzee, Gulledelle 100, 1200 Brussel
Inhoudstafel Samenvatting................................................................................................................................... 2 Inleiding .......................................................................................................................................... 3 Materiaal en Methoden ................................................................................................................... 4 Staalname .................................................................................................................................... 4 Laboratoriumtechnieken ............................................................................................................. 6 Granulometrie ......................................................................................................................... 6 Totaal Organisch Materiaal..................................................................................................... 6 Totaal Organische Koolstof (TOC) ........................................................................................ 6 Opgeloste Organische Koolstof (DOC) .................................................................................. 6 Pigmenten ............................................................................................................................... 6 Vetzuren .................................................................................................................................. 6 Extracellulaire Polymere Substanties (EPS) ........................................................................... 7 Adenosine TriFosfaat (ATP)................................................................................................... 7 Analyse van de data .................................................................................................................... 8 Resultaten........................................................................................................................................ 8 Stabiliteit van het sediment ......................................................................................................... 8 Relaties tussen componenten van het OM onderling .................................................................. 9 Relatie OM met sedimentkarakteristieken ................................................................................ 11 Discussie en conclusies ................................................................................................................. 13 Referenties .................................................................................................................................... 14
1
Samenvatting Tijdens dit project werd onderzoch of er (1) eenduidige relaties bestaan tussen de verschillende componenten van organisch materiaal (OM) in mariene sedimenten; (2) eenduidige relaties bestaan tussen deze componenten en het slibgehalte van het sediment en (3) gelijkaardige resultaten worden bekomen bij het bepalen van het gehalte aan Totaal Organisch Materiaal (TOM) volgens verschillende laboratoriumtechnieken. Op basis van 2 staalnamecampagnes waarbij telkens 25 stations werden bemonsterd, die een brede range aan sedimentkarakteristieken vertonen kon worden aangetoond dat er geen eenduidige relaties bestaan tussen de verschillende componenten van het OM. Verder bleek het ook niet mogelijk om een unieke regressie op te stellen waarbij enige component kon worden geschat uit het slibgehalte van de sedimenten. Dit wijst er op dat bij verder monitoringscampagnes die component(en) effectief moeten worden bepaald die relevant zijn voor de vraagstelling. Alleen schattingen van TOM uit slibgegevens kunnen worden berekend, maar het is duidelijk dat de nodige regressielijnen voor elke monitoringscampagne moeten worden opgesteld. Een andere mogelijkheid bestaat er in om – in het geval van kleinere opdrachten – het TOM gehalte daadwerkelijk te meten. Bij de bepaling van TOM op basis van verschillende methodes blijkt dat het drogen op 60°C en 110°C geen wezenlijke verschillen oplevert, wat er op wijst dat de snellere methode (drogen bij110°C) verder kan toegepast worden. Er waren wel verschillen meetbaar als de moffeltemperatuur werd veranderd Uit literatuur blijkt dat deze ideale temperatuur afhankelijk kan zijn van het slibgehalte. Indien de slibfractie verwaarloosbaar is, wordt door Luczak et al. (1997) een moffeltemperatuur van 500°C aangeraden. Aangezien in de sedimenten die voor onze kust worden aangetroffen deze slibfractie wel aanwezig is, kan het aangewezen zijn om via een gericht onderzoek deze ideale moffeltemperatuur te bepalen. Deze opmerkingen doen echter geen afbreuk aan het feit dat TOM een volwaardige variabele is, als een ruwe schatting van het OM nodig is om een bepaalde wetenschappelijke vraagstelling te onderzoeken (Luczak et al. 1997).
2
Inleiding Bij studies naar het mariene bodemleven wordt de totale hoeveelheid organisch materiaal vaak gebruikt als maat voor de voedselbeschikbaarheid voor de bodembewonende organismen. Dit gebeurde ook in een eerdere studie die voor MDK werd uitgevoerd (Ecologische monitoring kustverdedigingsproject Oostende (T0-situatie, fase 3 – MDK dossiernr. 205.240). Er bestaan echter nog heel wat onzekerheden betreffende de methodieken die aangewend worden bij het bepalen van deze omgevingsvariabele en ook de ecologische interpretatie is niet altijd even eenduidig. Zo worden niet alle bestanddelen van het organisch materiaal (OM) in de bodem als voedselbron gebruikt door de bodemdieren en kan het gehalte aan OM in slikrijke sedimenten drastisch overschat worden. Door het ontbreken van een samenvattend werk dat alle componenten met elkaar in verband brengt is het niet eenvoudig om de ecologische relevantie van het organisch materiaal in mariene sedimenten correct in te schatten. Om dit te verhelpen werd voorliggend onderzoek uitgevoerd, waarbij de verschillende karakteristieken van het mariene OM in de bodem werden onderzocht. Concrete doelstellingen waren: Nagaan van de relaties tussen de verschillende componenten van het OM in mariene bodems Nagaan van de relaties tussen het slibgehalte in het sediment en de verschillende karakteristieken van het OM Deze doelstellingen werden gerealiseerd door middel van 2 staalnamecampagnes met de RV Zeeleeuw waarbij op 25 stations stalen werden verzameld voor de bepaling van het OM in de zeebodem en deels in de waterkolom. De stations waren zodanig gekozen dat een brede range van sedimenten werd bemonsterd. De eerste staalname werd uitgevoerd in febuari 2008, een tweede campagne werd uitgevoerd begin juni 2008. Op die manier kan worden nagegaan of de bekomen relaties geldig zijn voor een voedselarme (februari 2008 – voor het hoogtepunt van de voorjaarsbloei) en een voedselrijke situatie (juni 2008 – na het hoogtepunt van de voorjaarsbloei). Volgende componenten van het OM werden bepaald: Totaal Organisch Materiaal (Total Organic Matter - TOM): de totale hoeveelheid organisch materiaal (dood en levend, van microbiële, plantaardige en dierlijke oorsprong). Deze fractie kan zowel particulair zijn als opgelost in het interstitieel water. Totaal Organische Koolstof (Total Organic Carbon - TOC): de koolstof component van het TOM Opgeloste Organische Koolstof (Dissolved Organic Matter – DOC): die fractie van het TOC die opgelost is in het interstitieel water Pigmenten: organisch materiaal van plantaardige oorsprong. Dit wordt uitgedrukt als concentraties aan chlorophyll a (Chl a) en is een maat voor de labiele fractie van het OM
3
Vetzuren: belangrijke biomerkers die bijdragen tot de karakterisatie van de oorsprong van organisch materiaal in mariene sedimenten. Daarenboven kunnen individuele vetzuren karakteristiek zijn voor bepaalde organismen. Extracellulaire Polymere Substanties (EPS): worden hoofdzakelijk geproduceerd door epipelische diatomeeën (kiezelwieren). EPS bestaat vooral uit carbohydraten en diatomeeën scheiden op die manier een belangrijk deel van de koolstof uit die fotosynthetisch gefixeerd werd. EPS gehalte geeft een goede maat voor de aanwezige levende diatomeeën (primaire productie) in het sediment en indirect ook voor de sedimentstabiliteit. EPS en andere carbohydraatrijke exudaten in het aquatisch milieu zijn daarenboven van ecologisch belang aangezien ze als koolstofbron kunnen gebruikt worden door bacteriën, meio- en macrofauna Adenosine TriFosfaat (Adenosine TriPoshpate - ATP): ATP of adenosinetrifosfaat is de basisenergiebron voor de meeste vormen van activiteit van levende organismen, zowel op macroschaal (bv. „arbeid‟) als op microschaal (bv. cellulair transport van moleculen en ionen). Het is universeel in alle levende cellen, en is zelfs in lage concentraties detecteerbaar via bioluminescentie (zie materiaal & methode). Bovendien zijn de turnoversnelheid en afbreekbaarheid van ATP zeer hoog, wat impliceert dat ATPconcentraties van inactieve organismen laag zijn, en in dode biomassa zeer snel op 0 vallen. Daarom kan ATP-concentratie als een maat gebruikt worden voor de hoeveelheid metabool actief, dus levend materiaal in een monster. In combinatie met andere metingen van organisch materiaal, kan het dus mogelijkerwijs informatie geven over de contributie van levende biomassa tot gemeten totale organisch-materiaalconcentraties.
Materiaal en Methoden Staalname Stalen warden verzameld tijdens twee vaartochten (18-20/02 en 4-5/06/2008) met de RV Zeeleeuw. Per vaartocht werden 25 stations bemonsterd rond de huidige vaargeul voor de haven van Oostende en voor Wenduine (Fig. 1). De selectie van de stations gebeurde op basis van sedimentgegevens die ter beschikking zijn op de Sectie Mariene Biologie (databank MacroDat). Hierbij werd gekozen om een brede range van sedimenten (slib – medium zand) te bemonsteren om (1) de relatie tussen de verschillende componenten van het OM onderling over verschillende sedimenttypes te bepalen en (2) om de relatie tussen mediane korrelgrootte of slib en de verschillende componenten van het OM te bepalen. Op elk station werd het sediment bemonsterd met een Reineck boxcorer. Nadat de Reineck boxcorer aan boord was, werd het bovenstaand water afgeheveld en opgevangen voor de bepaling van Chl a en de hoeveelheid zwevende stof (Suspended Particulate Matter – SPM). Het afhevelen gebeurde zodanig dat geen sediment werd meegeheveld.
4
Figuur 1 Locatie van de stations op het Belgisch Continentaal Plat (links) en detail (rechts)
Substalen voor de sedimentanalyse en de verschillende componenten van het OM werden vervolgens genomen door middel van cores tot op een diepte van 4 cm. De diameter van de gebruikte core was aangepast aan de hoeveelheid sediment die nodig was om een nauwkeurige analyse te kunnen uitvoeren en op de juiste manier bewaard (Tabel 1). Component granulometrie TOC TOM Chl a vetzuren DOC ATP EPS
Diameter Core (cm) 3.6 1.0 3.6 1.0 1.3 5.0 1.0 1.0
stockage droogoven in labo diepvries diepvries Diepvries diepvries diepvries diepvries diepvries
Tabel 1. Interne diameter van de gebruikte core en stockagemethode voor de verschillende componenten van het OM in het sediment
Van het afgehevelde bovenstaand water werd telkens een bepaald volume gefilterd over een voorgewogen voorgegloeide GF-F filter. Na filtratie werden de filters dichtgevouwen, verpakt in aluminiumfolie en bewaard in de diepvries. Alle componenten die gekoeld bewaard moeten worden, werden in koelboxen vervoerd naar het labo in Gent waar ze verder werden bewaard in de diepvries. Analyse van alle stalen vond plaats binen de 6 weken na verzameling.
5
Laboratoriumtechnieken Granulometrie De sedimentsamenstelling werd bepaald met behulp van een Malvern Mastersizer Hydro 2000G na het drogen van het sediment op 60°C. Voor dit rapport werd het sediment gekarakteriseerd aan de hand van de mediane korrelgrootte en de slibfractie (fractie < 64 µm). Totaal Organisch Materiaal Omdat er verschillende methodes mogelijk zijn om het TOM in mariene sedimenten te bepalen, werden al deze methodes toegepast om na te gaan of er verschillen optreden naargelang de methodiek. Deze methodieken werden toegepast op deelstalen van het oorspronkelijke monster. Methode 1: het sediment werd gedroogd op 110 °C gedurende 5 uur, waarna het gewicht bepaald werd. Vervolgens werd het sediment achtereenvolgens gemoffeld gedurende 2 uur op 450°C, 500°C, 550°C en 600°C. Na elke moffelbeurt werd het gewichtsverlies bepaald. Methode 2: het sediment werd gedroogd op 60°C gedurende 12 uur en het gewicht werd bepaald. Vervolgens werd het sediment gemoffeld op 450°C en 500°C. Na elke moffelbeurt werd het gewichtsverlies bepaald. Methode 3: het sediment werd gelyofiliseerd gedurende 36 uur en gewogen. Vervolgens werd het sediment gemoffeld op 450°C en 500°C gedurende 2 uur waarna het gewichtsverlies werd bepaald. Totaal Organische Koolstof (TOC) Voor de bepaling van het gehalte aan TOC werd 20 tot 40 mg sediment afgewogen in een zilver schuitje en vervolgens aangezuurd met HCl tot alle carbonaat verdwenen is.Na drogen wordt het schuitje in de elementanalyser Carlo Erba NA1500 gebracht. Opgeloste Organische Koolstof (DOC) Wegens een defect aan het toestel (geen eigendom van Sectie Mariene Biologie) werden deze stalen niet geanalyseerd. Pigmenten De concentraties aan Chl a werden bepaald met behulp van een HPLC (Gilson) volgens de standaardmethode van Wright & Jeffrey (1997). Vetzuren Er werd geopteerd om een analysemethode toe te passen waarbij hydrolyse en methylatie in 1 reactie plaatsvinden. Hiertoe werd 4-9 gram sediment in een glazen buis gebracht en 7 ml van een methanol-2.5% H2SO4 oplossing toegevoegd. De buis werd vervolgens gedurende 90 minuten in een warmwaterbad (80°C) geplaatst. Na 30 minuten afkoelen tot kamertemperatuur werd 3.5 ml hexaan en 3.5 ml MilliQwater toegevoegd. Het staal werd dan goed gemengd (vortex) en in een centrifuge geplaatst (5 minuten, 1500 rpm). De bovenste fase (supernatans) 6
werd verzameld en gedroogd onder een stikstofgasstroom. Zodra het extract droog was, werd er 100 µl hexaan toegevoegd. Het staal werd dan overgebracht in een GC-vial met insert en geanalyseerd door middel van een gaschromatograaf gekoppeld aan een massaspectrometer (GCMS, Agilent 6890N-5973). In deze studie werden volgende vetzuren in beduidende hoeveelheden gemeten: 16:1ω7(cis9) (palmzuur, merker voor diatomeeën), 18:1ω9 (merker voor cyanobacteria), docosahexaenoisch zuur (DHA, merker voor eukaryote dieren, accumulatie in hogere trofische niveaus) en eicosapentaenoisch zuur (EPA, enkel aangemaakt door diatomeeën, maar accumulatie in hogere trofische niveaus). Extracellulaire Polymere Substanties (EPS) De gebruikte analysemethode voor EPS bepaling was gebaseerd op het protocol zoals vermeld in HIMOM (Hierachical Monitoring Methods CD-ROM): Sediment physical and chemical characterisation - 14. Colloidal carbohydrates, M. Consalvey. Het bevroren sediment werd overnacht gelyofiliseerd en aan 1 gram van het gevriesdroogde sediment werd 5 ml gedistilleerd water toegevoegd. Dit mengel werd grondig gemengd (vortex) en vervolgens 15 minuten gecentrifugeerd (1500 rpm). Aan 1 ml van het bekomen supernatans werd 1 ml fenoloplossing (5% w/v) en 5 ml geconcentreerd zwavelzuur toegevoegd. Na vortexen werd het mengsel gedurende 32 minuten bij kamertemperatuur geïncubeerd. De absorbantie werd gemeten in een spectrofotometer (type: Shimadzu UV-1601) bij een golflengte van 486.5 nm.Voor het maken van de ijklijn werd een moederloog van 0.5mM (0,9009g D(+)-glucose MM 180,16) gebruikt. Vervolgens werd 0.20, 0.50, 0.75, 1.50 en 2.00 ml van de 0.5mM oplossing aangelengd tot 100 ml met gedistilleerd water. Aan 1 ml van elke verdunning werd 1 ml fenoloplossing (5% w/v) en 5 ml geconcentreerd zwavelzuur toegevoegd. Na vortexen werd het mengsel gedurende 32 minuten bij kamertemperatuur geïncubeerd. De absorbantie werd gemeten bij een golflengte van 486.5 nm.De absorbantie werd tevens gemeten met behulp van een Victor Multilabelreader, doch deze waarden vertoonden teveel variantie en werden niet verder geïnterpreteerd. Adenosine TriFosfaat (ATP) We hebben in het kader van dit project twee protocols gevolgd voor de extractie van ATP uit sedimentmonsters. De eerste is ontworpen voor metingen op zuivere biomassa, die niet „gevangen‟ zit in een sediment- of andere matrix, en gebruikt een perchloorzuurextractie. Het gedetailleerde protocol is verkrijgbaar op eenvoudig verzoek. De tweede methode extraheert ATP door koken van het sediment, vertrekkend vanuit de vaststelling dat koken celmembranen permeabiliseert en massaal uitlekken van ATP en andere laagmoleculair-gewichtcomponenten teweegbrengt. Na beide extractieprocedures werden verschillende verdunningen uitgetest, en de uiteindelijke metingen van ATP-concentratie gebeurde op basis van het principe dat ATP in aanwezigheid van zuurstof en het luciferase-enzym (in oorsprong van de glimworm, Photinus pyralis) omgezet wordt tot oxyluciferine + pryofosfaat + AMP (adenosinemonofosfaat) met vrijstelling van licht. Dit is bioluminescentie. Dit lichtsignaal wordt vervolgens gedetecteerd m.b.v. de luminometrische functie van een Victor multilabelteller met microplaatafleessysteem.
7
De uiteindelijke kwantificering van het ATP hangt dan sterk af van de nauwkeurigheid waarmee een ATP-ijklijn kan worden opgesteld en ingevoerd.
Analyse van de data In een eerste stap werd nagegaan of de sedimentsamenstelling veranderd was in de tijd tussen de twee staalnames. Dit gebeurde door middel van lineaire regressies waarbij telkens de mediane korrelgroottes en slibfracties van beide staalnameperiodes tegen elkaar worden uitgezet. De sedimentsamenstelling wordt als onveranderd beschouwd indien voor beide regressievergelijkingen in de vorm van y=a+bx een b wordt gevonden die 1 benadert. Indien dit niet het geval is, dan moeten alle volgende regressievergelijkingen per staalnamecampagne worden beschouwd. Om na te gaan hoe sterkt de verschillende componenten van het OM aan elkaar gelinkt zijn,wordt opnieuw gebruik gemaakt van lineaire regressies. Om een variabele als proxy van een andere variabele te beschouwen werd bij significante regressies een R² van minstens 0.75 vooropgesteld.
Resultaten Stabiliteit van het sediment Uit Fig. 2 blijkt duidelijk dat de sedimentstamenstelling niet stabiel was tijdens de periode tussen de twee staalnames. De regressie voor de mediane korrelgrootte (y=79.58+0.43x) was niet significant (p>0.05). 350
90 80
300
60
slibfractie juni (%)
Mediane korrelgroote juni (µm)
70 250
200
150
50 40 30 20
100
10 50 0 0 0
50
100
150
200
250
Mediane korrelgrootte februari (µm)
300
350
-10 -20
0
20
40
60
80
100
slibfractie februari (%)
Figuur 2 Relatie tussen de mediane korrelgrootte (links) en de slibfractie (rechts) in de twee staalnamecampagnes
De regressievergelijking voor de slibfractie was wel significant (p<0.05), maar de lage R² waarde (0.23) toont aan dat veel variatie in de data niet kan verklaard worden. Daarom worden verder in dit rapport alle onderlinge relaties onderzocht per staalnameperiode.
8
Relaties tussen componenten van het OM onderling In wat volgt werden de resultaten voor ATP niet verder besproken. Van bovengenoemde extractieprotocols leverde alleen extractie door koken meetbare ATP-concentraties op. Nochtans bleken ook met deze extractiemethode de resultaten van testmonsters met geïnjecteerde gekende concentraties ATP onvoldoende reproduceerbaar om betrouwbaar te zijn. We hebben verschillende parameters van het extractieprotocol (zoals kooktijd en verdunning) gemodifieerd, maar de reproduceerbaarheid van metingen op stalen met vooraf gekende ATP-concentratie bleef gering en inconsistent. We kunnen op dit ogenblik dan ook alleen concluderen dat de geteste methodes voor de extractie van ATP uit sedimentmatrices onvoldoende accuraat zijn, en vermoedelijk mee afhankelijk van de structuur en textuur van de sedimentmatrix. Er is dus grondig bijkomend onderzoek nodig naar alternatieve extractieprotocols alvorens deze parameter op een betrouwbare manier routinematig zou kunnen worden bepaald in sedimentmatrices. Verder worden ook de metingen die gebeurd zijn op de variabelen uit het bovenstaand water niet opgenomen in dit verslag. Bij het binnenhalen van de Reineck boxcorer werd namelijk vastgesteld dat een deel van het fijne materiaal dat aanwezig is op de overgang water/sediment in suspensie ging. Wegens tijdsdruk aan boord kon niet gewacht worden tot dit materiaal volledig bezonken was. Daarom geven de metingen over het gehalte aan zwevende stof (SPM) en Chl a in de waterkolom een vertekend beeld. Indien metingen over OM in de waterkolom nodig zijn voor verder monitoringscampagnes worden stalen beter verzameld met behulp van een Niskinfles die wordt gesloten zo dicht mogelijk bij de bodem, zodat er geen verstoring als gevolg van opwarrelend materiaal optreedt. Omdat het opnemen van alle figuren in dit verslag veel ruimte zou innemen, worden de regressievergelijkingen samengevat in onderstaande tabellen. Per onderzochte relatie wordt het significantieniveau en de verklaarde variate (R²) weergegeven, net als de b-term in de vergelijking y=a+bx. Verschillende manieren van TOM bepaling Uit Tabel 2 blijkt duidelijk een significante lineaire relatie te bestaan tussen de TOM gehaltes die bepaald werden op verschillende moffeltemperaturen en de standaardtechniek die toegepast wordt op de Sectie Mariene Biologie (drogen bij 110°C en moffelen bij 550°C). Als de temperatuur waarop gemoffeld wordt verlaagt, wordt een kleinere fractie als TOM bestempeld (tot 51% bij 450°C in februari) terwijl een hogere moffeltemperatuur resulteert in een hoger TOMgetal (114-118% van de waarde gemeten volgens de standaardmethode)
9
TOM 110-550
TOM 110450 R²=0.99 p<0.001 b=0.51
februari TOM 110500 R²=0.99 p<0.001 b=0.72
TOM 110600 R²=0.99 p<0.001 b=1.18
TOM 110450 R²=0.99 p<0.001 b=0.64
juni TOM 110500 R²=0.99 p<0.001 b=0.88
TOM 110600 R²=0.97 p<0.001 b=1.14
Tabel 2 Relatie tussen de gemeten TOM gehaltes na moffelen bij verschillende temperaturen en drogen bij 110 °C.
Drogen bij 60°C en bij 110°C blijkt niet echt een verschil te veroorzaken (Tabel 3). Er werden telkens hoog significante regressies gevonden met een hoge R².
TOM 110- 450
TOM 60-450 februari juni R²=0.87 R²=0.87 p<0.001 p<0.001 b=1.17 b=1.002
TOM 60 - 500 februari juni
R²=0.89 p<0.001 b=1.13
TOM 110-500
R²=0.87 p<0.001 b=1.08
Tabel 3 Relatie tussen de gemeten TOM gehaltes na drogen op een verschillende temperatuur
Lyofiliseren in plaats van drogen heeft een duidelijke invloed. In juni wordt een grotere variatie verkregen dan gewenst bij het moffelen op 450 °C en bij 500°C is de regressie niet meer significant (Tabel 4)
TOM 110- 450
TOM lyo-450 februari juni R²=0.88 R²=0.57 p<0.001 p<0.001 b=0.84 b=0.71
TOM 110-500
TOM lyo-500 februari juni
R²=0.85 p<0.001 b=0.91
R²=0.02 p =0.52 b=-0.12
Table 4 Relatie tussen de gemeten TOM gehaltes na drogen op 110°C en lyofiliseren
Relatie TOM – andere componenten van OM Als de lyofilisatietechniek buiten beschouwing gelaten wordt, kan worden gesteld dat er betrouwbare regressies kunnen worden opgesteld tussen de resultaten behaald volgens de verschilende methodieken om TOM te bepalen. Vandaar dat we ons voor het vervolg van het verslag zullen beperken tot de relaties tussen TOM bepaald volgens de standaardmethode (drogen op 110°C en moffelen op 550°C) en de andere componenten van het OM.
10
De resultaten van de regressie analyses voor beide staalnamecampagnes worden samengevat in Tabel 5. Alle regressies werden berekend als y=a+bx met x=het gehalte TOM en y=het gehalte aan “andere variabele”. Uit deze tabel blijkt duidelijk dat eenduidige relaties tussen het TOM gehalte en de andere componenten van het OM nagenoeg ontbreken. Alleen voor EPS en TOC werd voor beide staalnames een significante regressie gevonden, maar voor beide componenten is de geassocieerde R² heel laag (<0.3) wat duidt op een te grote variatie in de dataset.
Chl a
EPS
TOC vetzuur 16:1ω7(cis9) vetzuur 18:1ω9(cis9)
vetzuur DHA
vetzuur EPA
TOM 110-550 februari R²= 0.50 p<0.001 b= 2.45 R²= 0.62 p<0.001 b= 0.00002 R²= 0.62 p<0.001 b=0.65 R²= 0.30 p<0.01 b= -0.72 R²= 0.10 p= 0.13 b= 0.71 R²= 0.04 p= 0.36 b= 0.15 R²=0.01 p= 0.63 b= -0.04
TOM 110-550 juni R²= 0.12 p= 0.09 b= -.041 R²= 0.21 p<0.05 b= 32*10-8 R²= 0.30 p<0.01 b= 0.24 R²= 0.03 p= 0.44 b= 37.86 R²= 0.08 p= 0.18 b= 105.2 R²= 0.06 p= 0.23 b= 8.62 R²= 0.11 p= 0.11 b= 8.39
Tabel 5 Relatie tussen het TOM gehalte na drogen op 110°C en moffelen op 550°C en de andere componenten van het OM voor beide staalnamecampagnes
Relatie OM met sedimentkarakteristieken Aangezien er een rechtlijning verband bestaat tussen de mediane korrelgrootte van het sediment en het slibgehalte (Fig. 5) kan er nagegaan worden of éen van deze twee variabelen kan gebruikt worden als schatter voor de verschillende componenten van het OM.
11
Februari
juni
350
350
300
300
250
250
mediane korrelgrootte (µm)
mediane korrelgrootte (µm)
%slib_2:Mediaan_2: r2 = 0.8626; r = -0.9287, p = 0.0000; y = 240.163816 - 2.77472653*x
200
150
100
50
%slib_6:Mediaan_6: r2 = 0.9102; r = -0.9540, p = 0.0000; y = 238.234173 - 3.0302828*x
200
150
100
50
0
0
-50 0
20
40
60
80
100
-50 -10
0
slibgehalte (%)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
slibgehalte (%)
Figuur 5 Relatie tussen mediane korrelgrootten en slibfractie voor beide staalnamecampagnes
Dit gebeurde opnieuw aan de hand van regressievergelijkingen, waarbij werd nagegaan of er een lineair verband bestaat tussen het slibgehalte en de verschillende componenten van het OM. Deze resultaten worden samengevat in Tabel 6. Alle regressies werden opgesteld als y=a+bx met y=de OM component en x=de slibfractie. 16:1ω7(cis9) 18:1ω9(cis9)
Chl a
DHA
EPA
EPS
TOC
TOM 110-550
Slibgehalte februari R²= 0.3 p<0.001 b= 2.11 R²= 0.19 p<0.05 b= 2.91 R²= 0.39 p<0.001 b= 0.13 R²= 0.08 p= 0.18 b= -1.19 R²= 0.1 p= 0.67 b= 0.09 R²= 0.55 p<0.001 b= 12 *10-7 R²= 0.44 p<0.001 b= 0.03 R²= 0.78 p<0.001 b= 0.05
Slibgehalte juni R²= 0.0002 p= 0.95 b= 0.13 R²= 0.18 p<0.05 b= 6.44 R²= 0.11 p= 0.11 b= 0.12 R²= 0.02 p= 0.51 b= 0.20 R²= 0.13 p= 0.08 b= -0.36 R²= 0.16 p<0.05 b= 9*10-7 R²= 0.23 p<0.05 b= 0.009 R²= 0.88 p<0.001 b= 0.04
Table 6 Relatie tussen de verschillende componenten van het OM en de slibfractie voor beide staalnamecampagnes
12
Uit deze analyse blijkt dat er alleen voor TOM significante regressies gevonden worden die geassocieerd zijn met een hoge R² (>0.75) na beide staalnames. De volledige regressievergelijking voor beide tijdstippen is: Februari: y=0.347831828 + 0.0526187639 * x Juni: y=0.411736788 + 0.037995367 * x Via een Analysis of Covariance (ANCOVA) werd nagegaan of beide regressies samen te voegen zijn tot 1 regressie die geldig is voor beide periodes. Aangezien de richtingscoëfficient van beide regressies echter significant van elkaar verschilt (t2,46= 2.013; p<0.05) moet echter besloten worden dat deze berekening niet mag worden uitgevoerd.
Discussie en conclusies Uit de resultaten van dit onderzoek blijkt dat er geen eenduidige relaties bestaan tussen de verschillende componenten van het OM. Dit is op zich niet verwonderlijk, omdat uit de definities blijkt dat vb. EPS, vetzuren en Chl a gebruikt worden om heel gedetailleerde aspecten van het volledige spectrum in kaart te brengen.Hieruit volgt echter dat het niet mogelijk is om slechts 1 v variabele te bepalen en daaruit besluiten te trekken omtrent andere variabelen, of om 1 variabele te berekenen op basis van regressievergelijkingen. De verschillende methodieken om TOM te bepalen zijn wel significant aan elkaar gebonden. De hoeveelheid TOM die gevonden wordt bij drogen op 60°C is vergelijkbaar met het TOM gehalte dat gevonden wordt na drogen bij 110°C. Omdat drogen bij 60°C echter meer tijd in beslag neemt (12 uur in plaats van 5 uur bij 110°C) kan bij grote monitoringstaken overwogen worden om de kortste methode te gebruiken. Er moet echter wel opgemerkt worden dat de temperatuur waarbij gemoffeld wordt van belang is. Als de moffeltemperatuur lager ligt dan 550°C kan een aanzienlijk kleiner gehalte aan TOM gemeten worden (tot ongeveer 50% minder bij een moffeltemperatuur van 450 graden). De reden hiervoor kan niet ten volle uit deze studie worden achterhaald. Het staat echter vast dat zouten, ingekapseld water, en ammonium... mee verbranden bij hoger temperaturen (Allen et al. 1974), wat leidt tot hogere schattingen van TOM. Luczak et al. (1997) onderkenden dit probleem ook, maar hun resultaten wezen er toch op dat de bepaling van TOM via de verbrandingstechniek toch een goede maat voor de hoeveelheid OM geeft. Hierbij dient vermeld te worden dat Luczak et al. (1997) aanraden om een temperatuur van 500 graden te gebruiken. Dezelfde auteurs merken echter wel op dat in sedimenten met een grote kleifractie een grotere fout op de meting kan optreden omdat tussen de kleipartikels een grote hoeveelheid structureel water kan ingekapseld 13
zitten. Verder gericht onderzoek, speciaal gericht op het bepalen van de meest geschikte temperatuur en voorbereidingstechniek om sedimenten van het Belgisch Continentaal Plat te moffelen kan de precisie van de metingen ten goede komen. Een laatste aandachtspunt uit deze studie is het feit dat sedimentkarakteristieken niet kunnen gebruikt worden als schatter voor een andere component van het OM. Per staalnamecampagne werd een goede relatie verkregen met het TOM gehalte, maar om het slibgehalte echt als basis te gebruiken voor een schatting van het TOM mogen de regressievergelijken niet significant verschillend zijn. Dit was echter niet het geval. Daaruit volgt dat bij elke monitoringscampagne moet geopteerd worden om ofwel de regressielijn opnieuw op te stellen, ofwel om telkens uit elk staal het TOM gehalte effectief te bepalen.
Referenties Allen SE, Grimshaw HM, Parkinson JA, Quarmby C (1974). Chemical analysis of ecological materials. Blackwell Scientific Publications; 565 pp. Luczak C, Janquin M-A, Kupka A (1997). Simple standard procedure for the routine determination of organic matter in marine sediment. Hydrobiologia 345: 87-94
14
