Magnetic properties of magnetosomal greigite and factors influencing its occurrence and preservation in Baltic Sea Littorina sediments

Abstract

The Baltic Sea is one of the world’s largest brackish water environments and is today suffering from, for example, eutrophication, spreading hypoxia, accumulations of contaminants and invasive organisms. These problems exist due to a combination of natural features that makes the Baltic Sea a sensitive ecosystem (such as long water residence time, limited water exchange, large catchment area), and anthropogenic pressures on land, (such as agriculture and land-use changes, large human populations and industries) and in the sea (such as transport, fishing and bottom-trawling). Modern hydrographical settings include two salinity gradients, one horizontal (south-west to north) and one vertical (a halocline, with denser more saline water close to the bottom). The permanent halocline at ~60-80 m prevents vertical mixing between oxic surface waters and bottom waters, which can result in benthic hypoxia or anoxia and the preservation of organic rich sediments (sapropels) that are laminated. Hypoxia (O2<2 mg/L) can destroy benthic communities, affects the entire food web and influences biogeochemical cycles of nutrients. Hypoxia/anoxia in the bottom waters has been present intermittently during the Littorina Sea stage (ca. last 8000 years), more or less coinciding with relatively warmer periods represented by the Holocene Thermal Maximum (HTM), the Medieval Warm Period (MWP), and approximately the last 200 years. The aim of this thesis is to increase our knowledge about the evolution of the Baltic Sea since the last deglaciation with a focus on the deeper basins during the Littorina Sea stage.Mineral magnetic enhancements of Littorina Sea laminated sapropels have been found to be due to magnetosomal greigite (Fe3S4). These ferrimagnetic grains are produced by magnetotactic bacteria (MTB) in a controlled process that creates specific shapes (cuboidal, elongate prismatic, roundish) and a narrow grain size distribution within the single domain window (mean 55x75 nm). The flux of iron (Fe) bound as magnetosomal greigite is low <0.7% in the Baltic Sea laminated sapropels compared to the total and reactive Fe flux, but might be of importance in other stratified waters suffering from hypoxia/anoxia. Magnetosomal greigite production (as indicated by mineral magnetic properties), hypoxia intensity (as indicated by Mo/Al), organic carbon content and Fe input correlates at a millennial time scale, but at a centennial time scale the trends can differ. Laminated sapropels are generally enhanced in magnetosomal greigite, elemental ratios and organic matter, which shows the link between hypoxic/anoxic condtions creasting an OATZ and the production of magnetosomal greigite. At a shorter decadal time scale, within a laminated interval, the presence of magetosomal greigite is linked to the intensity of hypoxia/anoxia and partly also to the organic matter input.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Östersjön är idag ett av världens största innanhav med endast marginellt utbyte av vatten med Kattegatt via Öresund samt Lilla och Stora Bält. Saltrika inflöden från Kattegatt orsakar två salthaltsgradienter, en horisontell med mer saltrikt vatten i sydväst och mer färskt i Bottenhavet, samt en vertikal saltgradient (haloklin) med mer saltrikt bottenvatten och mer färskt ytvatten. Denna permanenta haloklin försvårar blandning av det syrerika ytvattnet med bottenvattnet, vilket kan

resultera i bentisk hypoxi/anoxi, varvid laminerade organiskt rika sediment kan bevaras. Östersjön är idag väl utnyttjat för transport, fiske och som rekreationsområde men eftersom det är ett känsligt ekosystem påverkas havet och dess invånare av det som händer i havet men också i avrinningsområdet. Idag har Östersjön många problem: övergödning, höga koncentrationer av

giftiga ämnen, kontaminerad fisk, förlust av habitat som leder till minskad diversitet, ökad utbredning av döda bottnar (hypoxi) och omfattande algblomning.

Hypoxi är idag ett globalt problem med ökande antal rapporter om marina kustområden som lider av hypoxi, där Östersjön är ett av dessa områden med ökade hypoxiska kustbottnar sedan 1950-talet. Hypoxi är ett tillstånd där syret i vattnet är lågt, <2 mL/L, vilket leder till att bottenfaunan och -floran inte kan överleva pga syrebrist vilket påverkar hela näringskedjan i ekosystemet. Hypoxi leder även till förändrade biogeokemiska cykler av näringsämnen och andra giftiga substanser. Övergödning, som är ett annat stort problem i Östersjön, är nära sammankopplat med hypoxi genom att stora mängder näringsämnen (övergödning) släpps ut i ytvattnet där den primära produktionen ökar vilket leder till minskad syrehalt i bottenvattnet när allt detta organiska material ska brytas ner när det sjunker till botten. Efter den senaste deglaciationen, dvs avsmältningen av den senaste inlandsisen, har Östersjön med och dess avrinningsområde gått igenom stora förändringar på grund av isostatisk höjning av jordskorpan och eustatiska globala havsnivåförändringar. Östersjöns historia har delats in i fyra stadier beroende på om Östersjön hade en koppling till det marina havet i väst eller inte. Det senaste stadiet, Littorina-havet, startade för ca. 10 000 år sedan när saltrikt vatten från Kattegatt så sakteliga började ta sig in via Stora Bält och ett par tusen år senare också tog sig över tröskeln i Öresundvarvid saliniteten ökade kraftigt. Detta omvandlade den färskvattensjö som då existerade till det brackvattenhav som finns idag. Hypoxi i bottenvattnet har funnits från och till under Östersjöns historia, och då speciellt under dess sista stadium, Littorina-havet. Dessa perioder av hypoxi har oftast uppkommit i samband med varmare perioder så som under det Holocena klimatoptimumet (Holocene Thermal Maximum, HTM), den medeltida varma perioden (Medieval Warm Period, MWP) och under de sista 200 åren, perioder då uppblandningen av ytvatten och bottenvatten varit speciellt dålig. Orsakerna till den moderna perioden av hypoxi kan vara en

kombination av mänsklig påverkan och klimatförändringar. Dessa två faktorer påverkar både utbredning och förekomst av hypoxi, men deras inbördes relativa påverkan är ett viktigt problem att lösa. För att rekonstruera forntida förekomst av hypoxi används ett flertal olika så kallade proxies (ersätter mätdata) baserade på att dessa ger indikation på förekomsten av syre i vattenkolumnen eller på/nära botten. Bevarade rester av bentiska organismer (foraminiferer, musselkräftor), sedimentära mönster (lamineringar) och sedimentkemi och mineralogi (förekomst av mineraler och redox känsliga ämnen) ger

information om syreförhållandena på eller nära botten. Bevarade rester av planktoniska organismer (till exempel diatomer), pigment, lipid biomarkörer, organiskt kol och kväve samt deras isotoper reflekterar syreförhållandena i vattenkolumnen. Trots att många av dessa proxies är osäkra och har en del latenta problem är dessa de bästa verktyg vi har för att rekonstruera syreförhållandena för tidsperioder då faktiska mätningar saknas. Målet med denna avhandling är att öka vår

kunskap om Östersjöns historia sedan senaste istiden med fokus på de djupaste bassängerna under Littorina havet, närmare bestämt de sista 8000 åren. Detta har vi gjort genom att undersöka sedimetära avlagringar och använt dessa som historiska arkiv. Sedimenten har blivit undersökta med hjälp av mineral-magnetiska och geokemiska metoder för att identifiera mineral och dess ursprung och länka deras utbredning till Östersjöns historia Variationer i koncentrationen och

kompositionen av magnetiska mineral i sedimenten är direkt kopplade till förändringar i sedimentkällor, transportmönster och utspädningseffekter pga ändrad primär produktion, tillsammans med produktionen av biologiska mineral och nedbrytningseffekter i sedimenten. Indirekta faktorer är klimatfaktorer som förändringar i temperatur, nederbörd och vindriktning. Därför är mineralmagnetism ett bra verktyg för att undersöka forntida miljöförändringar. Biomineral är mineral som är producerade av organismer, antingen som en biprodukt av celltillväxt eller genom en kontrollerad process där mineralen har en specifik funktion. Magnetotaktiska bakterier (MTB) producerar magnetiska mineral av magnetit och/eller greigit (så kallade magnetosomer) vilka de använder som en magnetisk kompass för att hitta optimala levnadförhållanden i

vattenkolumen eller sedimenten. När dessa MTB dör kan deras magnetosomer bevaras i sedimenten (då kallas de magnetofossiler) och bidra till den magnetiska signalen i sedimentära avlagringar. Det är inte exakt fastställt vad förekomsten av agnetofossiler kan berätta om tidigare miljöer, men de har föreslagits vara en indikator på syreförhållanden, att vara länkade till glaciala och interglaciala variationer, redox-förehållanden och förekomsten av organiskt material. I den första artikeln studerades två sedimentära sekvenser från Fårödjupet och norra Gotlandsbassängen, två områden som idag är drabbade av hypoxi. Äldre laminerade organiskt rika sediment, vilka är en signal av tidigare hypoxi, har högre koncentrationer av magnetiska mineral jämfört med icke-laminerade sediment med lägre organisk halt. I magnetiska extrakt från dessa sediment identifierades greigit partiklar i kedjor som producerats av MTB, dvs. magnetofossiler. Förekomsten av dessa magnetofossiler är positivt länkade till den organiska halten i sedimenten vilket visar på sammanlänkningen av MTB som producerar greigit, produktionen och bevaringen av organiskt material och redox förhållandena.

Den andra artikeln fokuserar på hur mycket järn och svavel som är bundet i greigitpartiklarna vilka producerats av MTB. Tre sedimentära avlagringar användes för att beräkna flödet av järn och svavel under perioder med laminerade sediment. Flödet

varierade både i tid och rum, men var totalt sett litet, <0.2%, jämfört med det totala flödet av järn i Östersjön. Detta innebär dock inte att flödet av järn bundet i mangetofossiler är lågt i andra områden vilka drabbats av hypoxi: där kan detta fenomen vara av större betydelse i flödet av järn till sedimenten. Dock liknar flödena av järn i Östersjösedimenten de järnflöden från MTB som producerat magnetit i svenska varviga sjösediment. Artikel 3 fokuserar på distributionen av magnetotaktiskt greigit i jämförelse till geokemiska parametrar. Produktionen av greigit korrelerar med hyoxi och järn flödet under långa tidsskalor, dvs. millennier där produktionen av greigit, intensiteten av hypoxi, och järnflödet är högt under perioder där laminerade sediment avsätts. På en hundraårsskala saknas korrelation för att återkomma på den kortaste decennium tids-skalan. Om vi tittar på de intensivaste hypoxi perioderna den maximala produktionen av greigit infinner sig före den maximala intensiteten i hypoxi och järnflödet. Detta kan kanske förklaras med att greigit produktionen påverkas direkt av en ökad primär produktion medan en ökning av hypoxi är en långsammare process närmare botten.

• author: Reinholdsson, Maja
• supervisor: Daniel Conley; Ian Snowball; Svante Björck; Lovisa Zillén Snowball
• opponent: Dr Boyle, John, Liverpool University, Great Britain
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: Baltic Sea, deep basins, mineral magnetic properties, magnetotactic bacteria, magnetosomal greigite, laminated sapropels, organic carbon, geochemistry.
• in: Lundqua thesis
• issue: 72
• pages: 32 pages
• defense location: Geocentrum IIs föreläsningssal Pangea, Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2014-04-25 13:15:00
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-86746-97-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8092c4a6-6457-46c3-a84e-289f3fbfd26a (old id 4362324)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:19:17
• date last changed: 2019-05-22 07:18:41