Analys och riskbedömning för kemiska variabler som styr oorganiskt aluminium i ytvatten

Köhler, Stephan J.; Andrén, Cecilia
2014 | Report series, IMA, SLU (1-51) | Report No: 2014:13

Utvärdering av pegelmätningar i IKEU-vattendrag 2007-2011

Wilander, A.; Östlund, M.; Andrén, C.
2013 | Report series, IMA, SLU (1-35) | Report No: 2013:2

Högvattenperioder förknippas ofta med surstötar, under snösmältning och vid kraftig nederbörd efter torka under sommaren. Surstötar påverkar biota, men fångas inte alltid vid reguljär provtagning inom IKEU-programmet (Integrerad Kalk Effekt Uppföljning). Behovet att veta när och hur högvattenperioder uppträder gjorde att peglar installerades, med början 2006 och finns nu i 18 vattendrag. Alla peglar placerades nära provtagningsplatsen för vattenkemi. De registrerar vattenstånd, vattentemperatur och numera även lufttemperatur. Denna rapport
täcker ca 400 000 registreringar. Pegelregistreringar har varit förhållandevis driftsäkra. Endast under isperioder, då pegeln fryst eller vattendraget är isbelagt förekommer osannolika värden.Registreringar sker normalt 12 gånger per dygn.
Högst vattenstånd mättes oftast i april och december. Högvattenperioder identifierades som de med ett vattenstånd >90 percentilen för årsvärdet och med en längd av minst tre dygn, som medelvärde varade de mellan 8 och 24 dygn. Sådana kan antas påverka biota; antingen direkt eller indirekt genom möjliga extrema vattenkemiska förhållanden. Variationen mellan olika år var ofta liten, men ju extremare vattenstånd (98:e percentilen) desto större variation mellan
åren. Som medianvärden, för extrema vattenstånd, var kvoten för vattenstånd
98 percentil/medianvärde 1,9 och maximalt 4,9. De pegelmätta vattenstånden jämfördes med SMHI:s modellerade dygnsvattenföring (SHYPE2010_version_1_0_2.). För varje vattendrag bör en avbördningskurva visa om de modellerade värdena är rimliga. Den modellerade vattenföringen avviker ofta mot pegelmätningarna; både vad gäller amplitud och tider för högvatten. Troligen beror detta på de små avrinningsområdena som är svåra att finna goda värden för regnskurar och snösmältning (temperatur). Slutsatsen är att den modellerade vattenföringen bör prövas för beräkning av transporter, men inte användas för att finna högvattensperioder. Vattenkemiska prover togs minst månadsvis, men intensivare, främst 2008–2011 då upp till 20 prover togs per år, med förtätning under förväntat högflöde. Här ingår ca 1400 prover.
Relationen mellan vattenstånd och pH-värde är så svagt att den inte bör användas för att beräkna ett ”lägsta” pH-värde vid högsta vattenstånd. För årliga minimumvärden av pH är skillnaden mellan alla årliga prover (intensivare
provtagning) och månadsvisa prover <0,2 pH-enheter i 57 fall av 74 vattendragsår. Vattenkemiska prover togs i snitt 1,3 per år vid >95 percentilens vattenstånd. Den lägsta täckningen hade Tangån och Vingån med endast ett prov på fyra år. Det förefaller som att provtagningar med högre frekvens än en gång per månad numera inte ger någon väsentlig, ytterligare information om pH-förhållandena. Baserat på mätningarna av de lägsta pH-värdena (årliga 10 och 15 percentiler) ges ett förslag till minskning av provtagningsfrekvensen från 20 till 12 prover per år för sju vattendrag. Ytterligare tre vattendrag har ständigt låga pH-värden, med en variation som möjligen kan stödja en minskning av frekvensen. Dock bör då oorganiskt aluminium (Ali) utvärderas i dessa fall. Separat gjordes en utvärdering som underlag till ett förslag till minskning av provtagningsintensiteten där utökad provtagning sker. Där föreslås minskning av provtagningsfrekvensen
till månatlig för sju vattendrag som har hög frekvens av prover med pH-värden >5,6. Dessutom föreslås minskning för fyra vattendrag som har låga pH-värden med relativt liten variation.

Toxicity of Inorganic Aluminium In Humic Streams

2012 | ITM, SU | ISBN: 978-91-7447-577-7

Aluminium (Al) has been recognised as a main toxic factor alongside pH in acidified water ecosystems. The toxic effect of Al has been attributed to inorganic Al (Ali), though there are few in situ studies in ambient humic waters which are the focus of this thesis.
The aim was to estimate Ali toxicity and thus also Ali concentrations in Swedish humic streams. Subsequently it is necessary to analyse Ali correctly, which was studied by modelling and method intercalibrations. The hypothesis was that the effect of Ali could be followed via physiological effects and Al accumulation, as well as by mortality. Toxicity was studied by in stream exposures of brown trout (Salmo trutta L.) and two salmonid prey organisms (Gammarus pulex and Baetis rhodani) during spring flood.
The modelling of the Ali fraction was performed using monitoring data covering all of Sweden with satisfactory results. The essential variables for Ali modelling were determined; Al, DOC, pH and F, while Fe, Ca and Mg had less effect. The automated analytical procedure for Ali (with cation exchange followed by complexation with pyrocatechol violet) was modified and validated and showed to be the preferred method for laboratory analyses.
To avoid detrimental effects for brown trout Ali should be <20 μg/L and pH >5.0; mortality was high when the Ali was above 50 μg/L. The invertebrates were more sensitive, as mortalities occurred at pH <6.0 and Ali >15 μg/L for G. pulex, and at pH <5.7 and Ali >20 μg/L for B. rhodani. It is prudent to use a wide view and let the most sensitive species set the tolerance limits; a pH above 5.7-6.0 and Ali below 15-20 μg/L allows the stream ecosystems to thrive.
Today, as waters are recovering from acidification, the aim of mitigating liming is to carefully adjust dosage to avoid suboptimal water quality. The thresholds found in this thesis can be used to efficiently but carefully decrease liming, as both Ali and pH levels have to be balanced to sustain the recovering aquatic biota.

Toxicity of inorganic aluminium at spring snowmelt – in-stream bioassays with brown trout (Salmo trutta L.)

Andrén, C.M.; Rydin, E.
2012 | Sci. Total Environ. | 437 (422-432)

Although the acid load has decreased throughout Scandinavia, acidic soils still mobilise aluminium (Al) that is harmful to brown trout. We hypothesise that there are thresholds for Al toxicity and that the toxicity can be traced from the water content to gill accumulation and the consequential physiological effects. During snowmelt, yearlings were exposed to a gradient of pH and inorganic monomeric Al (Ali) in humic streams to study the toxic effects and mortality. Gill Al and physiological blood analyses [haemoglobin (Hb), plasma chloride (P-Cl) and glucose (Glu)] were measured. As the water quality deteriorated, Al accumulated on the gills; Hb and Glu increased; P-Cl decreased, and mortality occurred. Moribund fish had significantly increased gill Al and Hb, suggesting that respiratory disturbances contributed to mortality. Decreased P-Cl and plasma availability indicated an ion regulatory disturbance and possibly circulatory collapse. Ali should be less than 20 μg/L, and pH higher than 5.0, to sustain healthy brown trout populations. These thresholds can be used to fine-tune lime dose, as both Ali and pH levels have to be balanced to prevent harm in the recovering aquatic biota. Although Al is tightly linked to pH, local variation in Al availability in soil and bedrock affects the Al release and subsequent toxic Ali episodes in some catchment areas.

Benthic diatoms as indicators of acidity in streams

Andrén, C.; Jarlman, A.
2009 | Fundam Appl Limnol | 173 (237-253)

Provtagning och analysanarbete (kapitel 1a i Utvärdering av IKEU 1990-2006 – Syntes och förslag)

Wilander, A.; Andrén, C.; Bergquist, B.; Holmgren, K.; Sundbom, M.
2009 (74-103)

Urval och representativitet (kapitel 1b i Utvärdering av IKEU 1990-2006 – Syntes och förslag)

Wilander, A.; Andrén, C.; Bergquist, B.; Holmgren, K.; Persson, G.; Sundbom, M.
2009 (106-116)

Förändringar efter avslutad kalkning (kapitel 3b i Utvärdering av IKEU 1990-2006 – Syntes och förslag)

Edberg, F.; Andrén, C.; Wällstedt, T.
2009 (520-536)

Inverkan av kalkning på metaller i vattendrag (kapitel 2b:2 i Utvärdering av IKEU 1990-2006 – Syntes och förslag)

Borg, H.; Andrén, C.
2009 (428-451)

Bottenfauna och kiselalger i rinnande vatten inom IKEU (kapitel 2b:3 i Utvärdering av IKEU 1990-2006 – Syntes och förslag)

2009 (454-472)

Which aluminium fractionation method will give true inorganic monomeric Al results in fresh waters (not including colloidal Al)?

Andrén, C.M.; Rydin, E
2009 | J Environ Monit | 11 (9) (1639-1646)

Aluminium solubility and toxicity increase with acidification. There is no standardized analytical method for the determination of inorganic monomeric Al (Alim), which is the form that causes toxicity to fish. Separation by cation exchange is commonly combined with other analytical methods, such as complexation with pyrochatechol violet (PCV) or 8-hydroxyquinoline (HQ) and total quantification using graphite furnace or inductively-coupled plasma emission. Data from 14 laboratories were obtained for a dilution series of Alim samples; the results of the Alim analysis were statistically evaluated. The Alim levels were altered through pH, which was controlled by the addition of calcium
hydroxide. Confounding parameters such as total organic carbon (TOC) or fluoride (F) were controlled. The total determination and HQ methods yielded significantly higher Alim concentrations than the PCV method. Pretreatment by passage through a 0.45 mm filter and pH-adjustment of the ion exchange column had no apparent effect on the Alim yield. However, ultra filtration (<10 kDa) caused a significant reduction in the Alim concentration using the HQ method. The ultra filtrated Alim fraction was similar to the PCV results in the interlaboratory comparison. Retention of colloidal bound Al in the cation exchange column may result in overestimation of Alim when the total and HQ methods are used. Estimated Alim concentrations derived from two equilibrium models were similar to PCV-derived Alim concentrations, as well as the HQ method using ultra filtrated water. The fact that the PCV method does not detect colloidal Al, neither before nor after ion exchange, makes this a preferred technique for Alim analysis. Because of the variability in the reported Alim concentrations that can arise when different analytical procedures are used, the adoption of a single, reliable technique will facilitate inter-study comparisons and provide consistency in the detection of trends in environmental monitoring programs.

IKEU 2008 surstötar i vattendrag: Årsrapport episoder & Kontinuerlig pH-mätning

Andrén, C.; Nilsson, F.
2009 | Department of Applied Environmental Science (ITM) (1-22) | Report No: 182

Contact information

Visiting addresses:

Geovetenskapens Hus,
Svante Arrhenius väg 8, Stockholm

Arrheniuslaboratoriet, Svante Arrhenius väg 16, Stockholm (Unit for Analytical and Toxicological Chemistry)

Mailing address:
Department of Environmental Science and Analytical Chemistry (ACES)
Stockholm University
106 91 Stockholm

Press enquiries should be directed to:

Stella Papadopoulou
Science Communicator
Phone +46 (0)8 674 70 11
stella.papadopoulou@aces.su.se