Controlling factors. of mercury accumulation. in lake sediments

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1 Controlling factors of mercury accumulation in lake sediments Von der Fakultät Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Dissertation von Yvonne-Marie Hermanns geboren am aus Landstuhl Eingereicht am Disputation am Berichterstatter Prof. Dr. Harald Biester Prof. Dr. Frank Suhling 2012

2 Proxies zur Herkunftsbestimmung der Organik zeigen, dass eine verstärkte Anreicherung aquatischer organischer Substanz zumindest phasenweise mit einem Anstieg der Quecksilberkonzentration einhergeht. Dies wird allerdings nicht auf einen kausalen Zusammenhang zurückgeführt. Stattdessen wird vermutet, dass Klima- und Umweltänderungen zu gleichzeitig auftretenden, aber kausal unzusammenhängenden Änderungen der Bioproduktivität und des Eintrags organisch gebundener Spurenelemente aus dem Einzugsgebiet führen. Langfristig ist mit einem steigenden Eintrag terrestrischer organischer Substanz in den Hambre See allerdings kein Anstieg der Quecksilberakkumulation verbunden. Dies ist vermutlich in einer Abnahme der Quecksilber/Kohlenstoffverhältnisse der terrestrischen organischen Substanz begründet. Während Produktion und Vorrat terrestrischer Organik seit dem späten Pleistozän deutlich stiegen, blieb der Quecksilbereintrag in die Böden eher konstant. Anthropogene Quecksilbersignale im Sediment wurden in drei weiteren Seen Südpatagoniens untersucht. Anhand des Vergleichs mit der Anreicherung organischer Substanz im Sediment und Zirkonium als Indikator für den erosiven Transport von Bodenmaterial wurde gezeigt, dass ein Großteil der Variationen der Quecksilberakkumulation auf erosive Bodeneinträge zurückzuführen ist. Etwa um 1900 AD beginnt ein hiervon unabhängiger Anstieg der Quecksilberakkumulationsraten (Faktor ). Dies verweist auf einen Anstieg anthropogener Quecksilberdepositionen, der allerdings im unteren Bereich globaler Modellvorhersagen liegt. Die Deposition anthropogenen Quecksilbers erreichte ihr Maxium AD (2-3 pg m" 2 yf 1 ) und ist seitdem rückläufig. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die vorliegenden paleolimnologichen Studien den wichtigen Einfluss natürlicher Faktoren, insbesondere dem Eintrag terrestriscfafc^grganischer Substanz, auf den Eintrag von Quecksilber in Seen gütlich belegen. Weiter führende Forschung muss erfolgen um Klima- und Umweltänderungen noch besser zu verstehen und von derzeit in den Böden gespeichertem anthropogenen prognostizierten Klimaänderungen abschätzen zu können.

3 vii Table of contents Abstract Zusammenfassung v Chapter 1: Introduction 1 1 Structure of the thesis ^ 2 Mercury in the environment ^ 2.1 Geochemistry and biogeochemical cycling of me^iy' Mercury in the atmosphere ' ^ 2.3 Mercury in aquatic systems 2.4 Mercury in soils 3 Lake sediments and paleolimnological studies 4 Lake sediments as archives of anthropogenic mercury d^g^ori 5 Natural processes Controlling mercury accumulation in lak e Natural atmospheric mercury fluxes 5.2 Terrestrial mercury fluxes ' ^ 5.3 Terrestrial mercury fluxes bound to organic mate1 a Aquatic productivity and algal scavenging 5.5 Diagenetic alterations and mobilization after sedl^gp 1 buri^' Research motivation ^ 7 Objectives of the thesis ^1 References ^

4 viii Table of contents Chapter 2: A 17,300 year record of mercury accumulation in a pristine lake in Patagonia 35 Abstract ^5 1 Introduction ^6 1.1 Study site 3 2 Methods Sampling and analysis Statistical data evaluation 40 4 Results Geochronology Mercury concentrations and accumulation rates Carbon, nitrogen and nitrogen/carbon ratios Major and trace elements determined by XRF analysis Principle component analysis 47 5 Discussion Sedimentary history of Lake Hambre Mercury concentrations and accumulation rates Mercury accumulation and lake sedimentary history Long-term changes in mercury accumulation 57 6 Conclusion 59 Acknowledgements 60 References 60 Electronic Supplementary Material 66 Chapter 3: Untangling the influence of in-lake productivity and terrestrial organic matter fluxes on the accumulation of mercury in pristine Lake Hambre, Patagonia 69

5 Table of contents Abstract 69 1 Introduction 70 2 Methods 72 3 Results Mercury concentrations and accumulation rates Carbon concentrations, nitrogen/carbon ratios and Rock Eval data Soil derived trace elements Principle Component Analysis 78 4 Discussion Depositional environment Changes in organic matter sources Influence of diagenesis on organic matter source proxies Mercury concentrations and accumulation rates Influence of algal scavenging on mercury Sedimentation Influence of terrestrial organic matter fluxes on mercury Sedimentation Potential climatic scenarios Controlling mercury accumulation in Lake Hambre 84 5 Conclusions 86 Acknowledgements 87 References 87 Electronic Supplementary Material 91 Chapter 4: Anthropogenic mercury signals in lake sediments from southernmost Patagonia, Chile 93 Abstract 93 1 Introduction 94 2 Materials and methods 95 ix

6 Table of Contents 2.1 Study sites Methods 96 3 Results and discussion Geochronology Mercury concentrations and accumulation rates Influence of organic matter accumulation Influence of soil erosion on mercury accumulation Flux of anthropogenic mercury Conclusions 111 Acknowledgements 111 References 112 Electronic Supplementary Material 115 Chapter 5: Synthesis and conclusion Natural variations in mercury accumulation Natural processes Controlling the flux of mercury into Lake Hambre and implications for the recent mercury cycling Influence of aquatic bioproductivity and scavenging on the accumulation of mercury in organic rieh lake sediments Anthropogenic mercury in South Patagonia 121 References 122 Chapter 6: Outlook 125 References -128 Acknowledgements 131 Appendix 133 x