Op zoek naar het ongerepte milieu & de natuurlijke achtergrond van fosfor in het oppervlaktewater
Year: 2024
Type: dissertation
Abstract: As I reflect on the past four years, my PhD journey has been remarkable and filled with challenges, growth, friendships, and unforgettable moments.Over the last four years, I had a significant goal to focus on, and it resulted in a wonderful adventure through time.The journey had its highs and lows, and a meaningful quote that supported me through this path."Everything that happens to you is the best thing that happens to you"Zen the art of Happiness, Chris Prentiss -I am thankful for the inspiring international research community I could be a part of, situated in a castle park with majestic trees watching us in the lab.The buzzing lab and office, filled with people worldwide, is a working space I will never forget.Many interesting stories were shared in the coffee room, brightening my days with warmth and love.I want to express my sincere gratitude to Erik, my mentor, for his unwavering support in research, motivating enthusiasm, patience, and encouragement to dig deeper and engage in physical activity.Our discussions during lunchtime running sessions were always intriguing and memorable.The thought processes and eye for detail were truly inspiring, and I am determined to uphold Erik's standards.The collaborations with fellow researchers were another indispensable addition to this dissertation.I want to thank Marijn Van De Broek and Stijn Temmerman for their contributions at the start of my PhD.It was a very warm welcome to the academic world as they shared their knowledge, samples, and experience with Tidal Marshes.For the third chapter, Nils Broothaerts and Marleen van Zon guided me in exploring Dijle floodplain sediments and archaeological data.Thanks to Francis for teaching me the tips and tricks of emission modelling.Of course, I cannot forget my project buddy, Elliot van Maldegem, who introduced me to the fascinating world of archaeology and engaged in philosophical discussions about the Romans.You were given the enormous challenge of combing through all the archaeological documents from the Scheldt, a patient job done with care.This revealed exciting Population dynamics, which we could link to sediment phosphorous.With infectious enthusiasm, Benoit makes research an enjoyable experience, binding all our colleagues together.We embarked on the PhD journey together, sharing the challenges and the euphoria.I felt honoured to celebrate your bachelor party and your wedding.They are beautiful memories.Rochelle, who started this journey with me, is one of the kindest and hardest-working individuals I know.At last, we explored freshwater shells as a proxy for surface water phosphorus (P) concentrations.We collected water, shell and sediment samples.Two methods were tested: First, we employed bulk shell digestion and correlated shell P concentration to surface water P for a large number of samples.Results from bulk shell analysis exhibited a weak positive log-log relation with water total P (TP) for the best-performing species Radix balthica (R² = 30%, p-value < 0.001).V Secondly, we employed Laser Ablation ICP-MS combined with 𝛿 18 𝑂 analysis on transversal sections of the bivalve Anodonta cygnea.The sections unveiled seasonal P, Fe and Mn fluctuations, although inconsistencies were observed among three shells.Historical sediment or water P concentration reconstruction using shell analysis faces major challenges due to variability across sites and species.This study confirmed that sediment can serve as a useful archive to reconstruct freshwater P concentrations and it revealed robust estimates of the natural background concentrations of P in Flemish surface water.This study also showed the inherent positive correlations between freshwater P concentrations and population density in the entire Scheldt catchment that covers most of the Flemish area, thereby illustrating that current environmental limits had been exceeded before the large-scale adoption of P fertilisers. VI Summary in layman's termsPhosphorus is an essential element for all life forms.Its use in fertilisers has increased to feed a growing population.At the same time, it has negatively impacted water quality because of eutrophication.To protect water quality, the European Water Framework Directive defined nutrient limits that are based on natural background values, i.e., phosphorus concentrations that closely resemble the pristine state without any human impact.Identifying these natural background conditions and the phosphorus limits are highly relevant because more than 90% of surface waters do not meet the current limits.Therefore, we embarked on a quest to determine the natural background of phosphorus.IX akkerland al tot aanzienlijke eutrofiëring leidde, lang voordat minerale meststoffen werden gebruikt.Als laatste, onderzochten we zoetwaterschelpen als proxy voor fosforconcentraties (P) in oppervlaktewater.Een nieuwe toepassing, aangezien schelpen wel al zijn gebruikt voor fysicochemische reconstructies van oppervlaktewater, maar niet voor P. We verzamelden water -, schelp-en sedimentmonsters.Twee methoden werden getest: We maakten gebruik van bulkanalyse van schelpen, waarbij de P-concentratie in schelpen werd gecombineerd met de P-concentratie in oppervlaktewater voor een groot aantal monsters.De resultaten van de bulkanalyse van schelpen vertoonden een zwak positief log-log verband met totaal P (TP) in het water voor de best presterende soort Radix balthica (R² = 30%, p-waarde < 0,001).Historische reconstructie van P in water met behulp van schelpanalyse lijkt niet aangewezen door de te grote variabiliteit tussen locaties en soorten.Deze studie bevestigde dat sediment kan dienen als een nuttig archief om zoetwater-P-concentraties te reconstrueren.De resultaten tonen aan dat de graad van P-verzadiging een robuuste indicator is voor menselijke activiteit.Het belangrijkste is dat deze studie de inherente positieve correlaties tussen zoetwater-P-concentraties en bevolkingsdichtheid heeft aangetoond, waarbij werd geïllustreerd dat de huidige milieugrenzen al zijn overschreden voor dat P-meststoffen op grote schaal werden gebruikt. X Vulgariserende samenvattingFosfor is een essentieel element voor alle levensvormen.Het gebruik ervan in meststoffen is toegenomen om een groeiende bevolking te voeden.Tegelijk heeft een teveel aan fosfor de waterkwaliteit negatief beïnvloed door eutrofiëring.Om de waterkwaliteit te beschermen, definieerde de Europese Kaderrichtlijn Water dat nutriëntenlimieten gebaseerd op ongerepte milieu, d.w.z.fosforconcentraties die sterk lijken op de natuurlijke achtergrondniveaus.De natuurlijke fosfor concentraties in het zoetwatersysteem van Vlaanderen zijn onduidelijk omdat er in deze dichtbevolkte regio geen echte ongerepte milieus overblijven.De identificatie van deze ongerepte omstandigheden en, bijgevolg, de fosforlimieten is zeer relevant omdat meer dan 90% van de oppervlaktewateren niet voldoen aan de huidige limieten.Daarom zijn we op zoek gegaan naar de natuurlijke achtergrond van fosfor.We gebruikten drie verschillende methoden.Ten eerste werden door rivieren afgezette sedimenten bemonsterd in het stroomgebied van de Schelde en de Dijle.De fosforconcentraties in gedateerde sedimenten werden gebruikt als een archief van historische trends in de oppervlaktewater concentraties.De toename van rivierfosfor tussen 1800-1930 was evenredig met de bevolkingsgroei in het Scheldestroomgebied.In de jaren 1930 overschreden de fosforconcentraties in het rivierwater reeds de huidige limiet.Het pre-industriële milieu van de Dijle bevatte driemaal lagere Pconcentraties dan de huidige, terwijl het pre-antropogene milieu (ongeveer 7000 jaar geleden) tienmaal lagere concentraties bevatte.Ten tweede hebben we sediment en water bemonsterd in de oudste bossen in Vlaanderen.De gemiddelde fosforconcentratie in de rivieren lag heel dicht bij de pre-industriële achtergrond voor de Schelde, maar het 90 e percentiel lag dicht bij de huidige fosforlimiet.De derde methode gebruikte emissie-en distributiemodellen om historische fosforconcentraties te voorspellen.De modellen toonden aan dat de huidige limieten reeds ongeveer 450 jaar geleden in het stroomgebied van de Dijle waren overschreden en/of dat dit gebeurde toen de fractie akkerland in dit erosiegevoelige stroomgebied een 17-46% (naargelang het model) van het oppervlak overschreed.Deze studie heeft aangetoond dat zoetwaterfosforconcentraties een inherente positieve correlaties met bevolkingsdichtheid vertoonden.Daarbij werd ook geïllustreerd dat de huidige milieulimieten waren overschreden vóór de grootschalige toepassing van kunstmest.XI List of abbreviations BP Before Present (i.e. the year 1950) CE Common Era, also known as years Anno Domini PO4 Orthophosphate or Reactive P TP Total phosphorus TDP Total Dissolved Phosphorus -Filtered sample (0.45 µm) MRP molybdate reactive phosphorus Pox Oxalate extractable phosphorus Feox Oxalate extractable Iron Alox Oxalate extractable Aluminium MHWL Mean high water level DPS Degree of Phosphorus saturation SCI Site Count Index HI Human Impact SAR Sint Agatha Rode COR Cortil SCL Sclage CE Common area LOI Loss on ignition TOC Total Organic Carbon RC Reference conditions WFD Water Framework Directive DIC Dissolved Inorganic Carbon R Retardation factor RSE Residual Standard Error E Nash Sutcliffe Model Efficiency DO Dissolved Oxygen FePO4 Iron Phosphates HES High Ecological status
Source: Lirias
Author: Lauryssen, Florian
Language: English
Subfield: Environmental Chemistry
Field: Environmental Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
Funder: Vlaamse regering
OpenAlex ID: W7113125822