Exploring long-term trends in hypoxia (oxygen depletion) in Western Gotland Basin, the Baltic Sea

Abstract (Swedish)

Övergödningen är ett av de största hoten mot Östersjöns miljö. Den orsakar inte bara algblomning
under sommarhalvåret utan även syrebrist (hypoxi). Utbredningen av syrefria bottnar i Östersjön har ökat fyrfaldigt
sedan 1960-talet till följd av ökade utsläpp av näringsämnen, så som fosfor och kväve. Undersökningar av långa
sedimentkärnor i Östersjön visar dock att dagens syrebrist inte är unik utan att det förekommit alternerande perioder
med syrefria respektive syresatta bottenförhållanden de senaste ca 8000 åren. Tyvärr saknas det fortfarande kunskap
om syrebristens utbredning i tid och rum, samt vilka orsaker som ligger bakom dessa variationer, vilket komplicerar
förståelsen om hur Östersjöns ekosystem fungerar. Även om den förhöjda näringstillförseln är den direkta orsaken till
dagens övergödning i Östersjön så är en ökad förståelse om syrebristens variationer nödvändig för att kunna driva en
effektiv miljöförvaltning. I mitt magisterarbete har jag studerat en sedimentkärna från Västra Gotlandsbassängen - ett
område som nästan helt saknar information om hypoxins variationer tillbaka i tiden. Syftet är att med hjälp av olika
”proxies” och dateringsmetoder d.v.s. kol-14 dateringar och blyanalyser (koncentration och isotopanalys 206Pb/207Pb)
rekonstruera hur syrebristen varierat tillbaka i tiden de senaste c. 8000 åren d.v.s. under Littorinahavet. Resultaten
visar att perioder med syrebrist karakteriseras av laminerade sediment, en hög organisk kolhalt och en hög
koncentration av magnetiska mineral. Analyserna visar att det dominerande magnetiska mineralet vid hypoxi utgörs av
ett finkornig enkeldomänig ferrimagnetiskt mineral, troligtvis magnetit, producerat intracellulärt av bakterier s.k.
magnetotaktiska bakterier (MTB). Genom korrelation och synkronisering med andra studier demonstrerar arbetet att
storskalig (västra, norra och östra Gotlandsbassängerna) hypoxi har förekommit, på djup mellan ca. 180-110 m, under
tre längre perioder: (i) sedan 1960, (ii) mellan ca 1450±150 och 650±150 kalenderår före nutid och (iii) mellan ca.
8000-5000 kalenderår före nutid. Intressant är att en kol-14 datering baserat på makrofossilrester (fiskben)
demonstrerar att den nedre (äldre) perioden med hypoxi är mycket yngre (centrerad kring ca. 4000 kalenderår före
nutid) än vad de flesta andra studier, och de åldrar som är baserade på kol-14 dateringar av sedimentbulkprover, visar.
Samma datering föreslår även att övergången från Ancylussjön till Littorinahavet skedde för ca. 6000 kalenderår före
nutid, vilket ytterligare spär på diskussion om när den ”moderna” Östersjön bildades.

Abstract

The Baltic Sea is suffering from bad ecosystem health due to strong impacts of anthropogenic activities. Since
1960, the hypoxic (< 2mg/l dissolved oxygen) area has expanded to c. 49 000 km2, resulting in an amplified eutrophication,
which severely threats the ecosystem of the Baltic Sea. The long-term trend in basin-wide hypoxia
in the Baltic Sea is not fully understood. This study explores the temporal variability in long-term hypoxia in the
Western Gotland Basin, a basin lacking good records of past hypoxia. Based on studies of one long sediment
sequence in the Western Gotland Basin, the occurrence of hypoxia has been reconstructed for the last c. 8000
years. The sequence has been studied using various proxies for hypoxia and dated using accelerator mass spectrometry
14C measurements (bulk sediment samples and a single macrofossil sample) and lead concentration and
isotope (206Pb/207Pb) analysis. The hypoxic periods are characterized by laminated sediments, high carbon content
and high magnetic concentrations. Mineral magnetic analyses show that single domain magnetite is the
dominant ferrimagnetic mineral suggesting relative high abundance of magnetotactic bacteria during hypoxic
periods. By correlation and synchronization with other sediment records from the Baltic Sea, this study demonstrates
that open-sea hypoxia occurred basin-wide (western, eastern and northern Gotland Basins) at depth from
c. 180 m-110 m during three major periods: (i) from 1960 to present (ii) from c. 1450±150 cal. yr BP to c.
650±150 cal. yr. BP and (iii) c. 5000-8000 cal. yr. BP. In contrast, a single radiocarbon date of a macrofossil
remain (fish bone) suggests a younger age of the oldest laminated period i.e. centered around c. 4000 cal. yr. BP.
The same date also suggests that the age of the Ancylus/Littorina transition is c. 6000 cal. yr. BP, which adds
further insights to the discussion about the evolution of the “modern” Baltic Sea.

• author: Liu, Tianzhuo
• supervisor: Lovisa Zillén; Ian Snowball; Conny Lenz; Maja Reinholdsson
• organization: Department of Geology
• alternative title: Utforskning av långsiktiga trender i hypoxi (syrebrist) i västra Gotlandsbassängen, Östersjön
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Baltic Sea, hypoxia, lead analysis, lamination, mineral magnetism, loss on ignition, magnetotactic bacteria, Östersjön, hypoxi, bly analys, laminering, glödgningsförlust, magnetotactic bakterier
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 295
• funder: Royal Physiographic Society of Lund
• language: English
• id: 2372007
• date added to LUP: 2012-03-15 14:50:15
• date last changed: 2012-03-15 14:50:15