Mercury pollution in fish and invertebrates in natural and wildfire impacted lakes in Norway
Doctoral thesis, Peer reviewed
Published version
View/ Open
Date
2014-11-14Metadata
Show full item recordCollections
- Ecology [26]
Original version
Moreno Vicente, C.E. Mercury pollution in fish and invertebrates in natural and wildfire impacted lakes in Norway. Doctoral dissertation, Telemark University College, 2014Abstract
Mercury (Hg) contamination in fish has become a global issue and remains a major problem of concern in the Nordic countries, with atmospheric long-range transport of Hg being the main source to aquatic ecosystems. Most Hg in fish is present as monomethylmercury (CH3Hg+, MeHg), a powerful neurotoxin that biomagnifies to harmful concentrations through the aquatic food web, and is mainly obtained from the diet. The main goal of this dissertation was to investigate the Hg content in fish from lakes with different environmental characteristics, including both natural and wildfire impacted lakes, and to discuss different factors affecting the Hg content in biota. The fieldwork of this thesis was conducted in several lakes: two relatively big lakes in Telemark county (Lake Norsjø and Lake Heddalsvatn) and in nine small boreal acidic lakes located in a wildfire impacted area in Mykland, southern Norway. Hg concentrations were investigated in various fish species as well as in macroinvertebrates. In addition, stable isotope analysis of carbon and nitrogen (δ13C and δ15N) were measured in fish and macroinvertebrates. The δ15N signatures were used for estimates of trophic position, while the δ13C signatures were used to estimate the relative contribution of food derived from littoral or pelagic habitats. For the wildfire study, water samples were collected monthly over four years and analyzed for the main water chemical parameters. Fish were also sampled during 2008, 2010 and 2012 to evaluate potential year differences on Hg, δ13C and δ15N. Food web transfer of total Hg (THg) was studied using trophic magnification slopes (TMS), i.e. slopes of the linear regression between log-transformed Hg and relative trophic position (stable nitrogen isotope, δ15N) in biota, and used as indicators of the biomagnifying potential of Hg in different aquatic ecosystems. The TMS values ranged from 0.16 to 0.25 and varied depending on the ecosystem characteristics and physico-chemical parameters such as temperature related processes, total organic carbon (TOC) or pH. These values indicated trophic magnification factors of Hg ranging from 3.6 to 7.1 per trophic level. Seasonal variations of Hg concentrations were investigated in Lake Heddalsvatn during December, May and September, in three fish species. Results showed that there were seasonal differences, but the causes varied depending on the fish species. Fish caught in December (European whitefish, Coregonus lavaretus; northern pike, Esox lucius) had the highest Hg concentrations, while the concentrations in May were higher than in September for all three species, statistically significant (p < 0.0001) for European perch (Perca fluviatilis) and close to significant for pike (p = 0.07). Somatic growth dilution was the most likely explanation for the perch population, whereas for whitefish and pike this mechanism could not be the explanatory factor as there was no measurable growth from May to September. We used the δ13C signatures of primary consumers from pelagic and littoral habitats in a simple two-source mixing model to estimate the relative dietary contribution in fish from food derived from the littoral or pelagic habitats in Lake Norsjø. Perch exhibited the highest zoobenthos reliance (89 ± 14%), while European smelt (Osmerus eperlanus) exhibited the lowest (37 ± 7%). The most intermediate δ13C signatures, i.e. supported by a mixed diet of littoral and pelagic food webs, were found in piscivore species with the highest trophic position, and the subsequent highest Hg concentrations both in Lake Norsjø and Lake Heddalsvatn. The changes in water chemistry in the wildfire affected area were studied for over 4 years (2008-2012) following the fire. There were large lake-to-lake variations and hydrological conditions such as heavy rain or snowmelt periods were the main reason for the most severe water chemical episodes. There was an initial drop in the acid neutralizing capacity (ANC) of the lakes two months after the fire, due to a faster mobilization of sulfate and chloride ions compared to base cations. An initial decrease in TOC and increase in nutrient runoff (nitrogen, N, and phosphorous, P) were observed in the initial post-fire period, followed by a gradual decrease in N and P, and increases in TOC. The water chemical conditions were almost re-established one year after the wildfire and had almost returned to pre-fire levels four and a half years after the fire. A water survey analysis was conducted in June 2012, four years after the fire, and the concentrations of THg and MeHg ranged between 1.17 - 2.63 ng L-1 and 0.053 - 0.188 ng L-1, respectively. Both variables were strongly and positively correlated to TOC and TOC-related variables such as color or UV absorbance, and with total-P and total iron. MeHg was also positively correlated with total-N and chlorophyll-a. There was no conclusive evidence that the fire affected the Hg concentrations in fish, but generally higher levels were found two years after the fire. Increased nutrients and chlorophyll-a concentration in the lakes might be key factors to explain this increment. Natural factors as yearto- year variations in thermocline depth or suboxic status in lakes make it difficult to draw any strong conclusions about direct wildfire effects on Hg in the biota from the investigated lakes. Høye kvikksølvkonsentrasjoner (Hg) i mange fiskearter er et globalt problem, da det blant annet medfører begrensninger for salg og konsum av flere arter både i ferskvann og saltvann. For ferskvannsfisk i Skandinavia skyldes dette primært en kombinasjon av vannkjemiske forhold, spesielt i våre skog- og myrpåvirkede innsjøer, og betydelig tilførsler av langtransportert Hg via atmosfæren. I hovedsak forkommer Hg som monometyl-Hg (CH3Hg+, MeHg) i fiskekjøtt. Dette er en nevrotoksisk forbindelse som oppkonsentreres i næringskjeden, og derfor kan medføre svært høye konsentrasjoner i toppredatorer som fiskespisende fisk, fugl og pattedyr, inkludert menneske. I hovedsak kommer MeHg inn i organismene via maten de spiser. Hovedmålet for avhandlingen har vært å undersøke Hg-konsentrasjoner i fisk i innsjøer med ulike fysisk-kjemiske forhold, og både naturlige og brannpåvirkede innsjøer har blitt undersøkt for å diskutere ulike faktorer som kan være avgjørende for Hg-nivåene i ulike akvatiske næringskjeder. Feltarbeidet har vært gjennomført i to store innsjøer i Telemark (Norsjø og Heddalsvatn), samt i ni mindre boreale, sure innsjøer i et brannpåvirket område på Sørlandet (Mykland). I alle innsjøene har Hg-konsentrasjonene i fisk og akvatiske invertebrater (zooplankton og bunndyr) blitt undersøkt. I tillegg er det gjennomført stabile isotopanalyser av karbon (δ13C) og nitrogen (δ15N) i organismene. Mens δ15N -signaturen i en organisme kan si noe om organismens trofiske posisjon (hvor i næringskjeden den befinner seg), vil dens δ13C-signatur kunne si noe om hva slags mat organismen primært spiser, det vil si om de primært lever av bunndyr i strandsonen (littoral føde) eller av zooplankton som befinner seg ute i de frie vannmassene (pelagisk føde). I brannområdet ble også hver måned gjennomført makrokjemiske analyser av innsjøene over en fire-års periode (2008-2012). Tre ganger under den samme tidsperioden (høsten 2008, 2010 og 2012) ble prøver av fisk tatt for å kunne vurdere mulige endringer i Hg-nivåer og/eller δ15N og δ13C signaturer som en følge av brannen. Oppkonsentreringen av Hg gjennom næringskjeden ble kvantifisert med en trofisk magnifiserings-koeffisient (TMS = Trophic Magnification Slope). TMS-verdien er stigningskoeffisienten for den lineære regresjonen mellom log-transformert Hg-konsentrasjon og relativ trofisk posisjon (δ15N) for de ulike organismene i hver enkelt innsjø. I de ulike innsjøene varierte TMS-verdiene varierte mellom 0.16 ??0.25. Ulike nedbørsfelt-spesifikke forhold og fysisk-kjemiske forhold i innsjøene, som vanntemperatur, konsentrasjon av totalt organisk karbon (TOC) og pH, var sentrale forklaringsfaktorer for variasjonene i innsjøenes TMS-verdi. Variasjonene i TMS (0.16 ??0.25) betyr forskjeller i oppkonsentreringsfaktor for Hg gjennom næringskjeden fra 3.6 til 7.1 per trofisk nivå i de undersøkte innsjøene. For å studere mulige sesongvariasjoner i Hg-konsentrasjoner gjennom året, ble fisk undersøkt i mai, september og desember i innsjøen Heddalsvatn. Resultatene dokumenterte sesongvariasjoner, men årsakene til disse varierte mellom de undersøkte fiskeartene, sik (Coregonus lavaretus), gjedde (Esox lucius) og abbor (Perca fluviatilis). Fisk fanget i desember (sik og gjedde) hadde de høyeste Hg-konsentrasjonene, mens konsentrasjonene i mai var høyere enn i september for alle tre fiskearter, statistisk signifikant (p < 0.0001) for abbor og tilnærmet signifikant for gjedde (p = 0.07). Somatisk vekstfortynning var den mest sannsynlige årsaken til lavere Hg-konsentrasjon i abbor i september i forhold til i mai. For sik og gjedde måtte det være andre årsaker til lavere konsentrasjoner i september enn i mai, siden vi ikke kunne dokumentere noen målbar vekst fra mai til september i det innsamlede prøvematerialet. Ved å benytte δ13C signaturene til pelagiske og littorale primærkonsumenter kan en ved bruk av en enkel to-komponent blandingsmodell, estimere hvor mye av dietten til hver enkelt fisk som kommer fra de to «hovedmatkildene» i innsjøen. Denne modellen ble anvendt i innsjøen Norsjø, og viste at abbor var den fiskearten som i størst grad (89 ± 14 %) hentet sin føde fra littoralsonen (bunndyr i strandsonen), mens krøkle (Osmerus eperlanus) var den undersøkte fiskearten som hadde minst innslag av littoral føde (37 ± 7 %). Mest intermediære δ13C signaturer ble påvist i fiskespisende fisk. Disse fiskene befant seg også høyest oppe i næringskjeden (høyest δ15N-signaturer) og hadde derfor også de høyeste Hg-konsentrasjonene. Dette ble også dokumentert i Heddalsvatn. I brannområdet i Mykland ble vannkjemiske effekter i innsjøene undersøkt i fire år etter brannen (2008-2012). Det var store variasjoner mellom innsjøene med hensyn til vannkjemiske effekter av brannen, men for alle innsjøene ble de mest ekstreme vannkjemiske episodene påvist under hydrologiske episoder som intensive regn- og snøsmeltingsperioder. Under en betydelig nedbørsepisode cirka to måneder etter brannen, ble det påvist en kraftig nedgang i syrenøytraliseringskapasiteten (ANC) til innsjøene, som en følge av betydelig raskere mobilisering av sulfat- og kloridioner fra nedbørsfeltene og ut i innsjøene i forhold til mobiliseringen av basekationer. Samtidig var det en nedgang i konsentrasjonen av totalt organisk karbon i innsjøene, mens konsentrasjonene av næringsstoffer som nitrogen (N) og fosfor (P) økte i innsjøene. Etter disse til dels betydelige vannkjemiske endringene under en relativt kort periode etter brannen, normaliserte vannkjemien seg relativt godt i løpet av det første året, og fire og et halvt år etter brannen, var forholdene tilnærmet slik de var før brannen. I juni 2012, fire år etter brannen, ble det gjennomført undersøkelser av total Hg (THg) og MeHg-konsentrasjoner i innsjøene. Konsentrasjonene av THg varierte mellom 1.17 ??2.63 ng L-1 mens konsentrasjonene av MeHg varierte mellom 0.053 ??0.188 ng L-1. Begge Hg-variablene var sterkt positivt korrelert med TOC-konsentrasjonen i innsjøene og andre TOC-relaterte variabler som farge og UV-absorbans. Signifikante positive korrelerasjoner ble også funnet mellom THg/MeHg og total-P og total-Fe. MeHg var i tillegg signifikant positivt korrelert med total-N og klorofyll-a. Det var ingen entydig tendens til at brannen hadde påvirket Hg-konsentrasjonene i fisk, men generelt ble det funnet høyere Hg-konsentrasjoner i fisk to år etter brannen. ?kte konsentrasjoner av næringsstoffer og klorofyll- a kan være mulige faktorer som kan forklare denne økningen, men naturlige år-til-år variasjoner i termoklindyp eller oksygenstatus i innsjøene gjør det vanskelig og trekke klare konklusjoner omkring direkte effekter av brannen på Hgnivåene i akvatiske organismer i de undersøkte innsjøene.
Has parts
Paper I: Lydersen, E. & Moreno Vicente, C.E. Variations in feeding habitats and mercury levels in fish from Lake Norsjø, southern Norway. Submitted for publication. Full text not available.Paper II: Moreno Vicente, C.E., Fjeld, E., Deshar, M.K. & Lydersen, E. (2014). Seasonal variation of mercury and δ15N in fish from Lake Heddalsvatn, southern Norway. Journal of Limnology 74(1), p. 21-30. http://dx.doi.org/10.4081/jlimnol.2014.918
Paper III: Moreno Vicente, C.E., Fjeld, E. & Lydersen, E. The effects of wildfire on mercury in water and biota of small boreal, acidic lakes in southern Norway. Submitted for publication. Full text not available.
Paper IV: Lydersen, E., Høgberget, R., Moreno Vicente, C.E., Garmo, ?. & Hagen, P.C. (2014). The effects of wildfire on the water chemistry of dilute, acidic lakes in southern Norway. Biogeochemistry 119: 109-124. http://dx.doi.org/10.1007/s10533-014-9951-8