Sediment med nyckelroll i näringsväven
I sedimenten sker processer som kan vara helt avgörande för näringsbalansen i havsvattnet. Omvandlingen av fosfor till olika former är relativt väl känd, medan detaljerna i kvävets kretslopp är betydligt mindre kända. Mer än hälften av den årliga tillförseln av kväve till Östersjön beräknas omsättas till kvävgas i sedimentet, vilket sedan går förlorat för de flesta marina organismer.
I havets sediment begravs kväve- och fosforrikt material i form av döda växter och djur, och en del av dessa näringsämnen blir på så sätt otillgängliga för levande organismer. Men i sedimenten sker även många processer som kan omsätta näringsämnena. Näringsämnena kan då antingen återföras till vattnet i tillgänglig form, eller transporteras till atmosfären och bli otillgängliga för havets organismer. Sedimenten har en avgörande roll, och processerna där är viktiga att förstå för att exempelvis kunna angripa problemen med övergödning.
Syre och temperatur reglerar omvandlingsprocesserna av näring i sedimenten. Det är väl känt att fosfat frigörs från sedimenten då syrenivåerna går ner. Vid högre syrenivåer vid bottnarna kommer en större del av fosfatet att bindas till järnoxider, och då stanna i sedimentet.
När det gäller kväve är det inte lika enkelt, och kunskapen kring processerna är också sämre. En nyckelfråga är hur stor andel av kvävet i sedimenten som omvandlas till kvävgas. Vissa cyanobakterier kan använda kvävgas som näringskälla, men större delen av den kvävgas som bildas i sedimenten kommer att försvinna till atmosfären.
Bakterier katalyserar
De senaste femton åren har forskningsresultat lett till en helt ny syn på kvävets kretslopp i haven. Bland annat har man upptäckt anammoxbakterier, som kan katalysera omvandlingen av ammonium till kvävgas i syrefria miljöer. Processen är idag känd i nästan alla naturliga miljöer med låga syrekoncentrationer, och används också i många moderna vattenreningsverk för att öka effektiviteten i kvävereningen.
Variation i tid och rum
I övergödda områden verkar dock inte anammoxbakteriernas omvandling vara särskilt betydelsefull. Istället sker omvandlingen till kvävgas genom en syrekrävande process, där ammonium först omvandlas till nitrit, sedan till nitrat och till slut till kvävgas. Under sommaren, då syrenivåerna är låga och temperaturen hög, kommer omvandlingen till kvävgas att avstanna, och kväve släpps istället ut från sedimenten i form av ammonium. Ammonium är en form som är tillgänglig för bland annat alger, och övergödningen kan därigenom eskalera.
Under vintern är bottenvattnet som kallast och syrekoncentrationerna som högst. Då kommer också omvandlingen till kvävgas att öka i de övergödda områdena, och en större andel av kvävet kommer att försvinna till atmosfären.
I mindre övergödda områden fungerar det tvärtom så att omvandlingen till kvävgas är högst under sommaren, då bottenvattnet är som varmast. Graden av övergödning ger alltså en stor variation under året. Mängden kväve som omvandlas till kvävgas under ett helt år är dock, intressant nog, lika stor oavsett övergödningsgrad. Kunskapsluckorna är fortfarande stora när det gäller hur denna variation i tid och rum påverkar tillväxten av växtplankton och näringsbalansen i vattnet.
I strävan att nå målet god ekologisk status 2020 har man lyckats minska tillförseln av fosfat och nitrat till Östersjön. Effekten i form av minskade områden med syrefria bottnar eller minskad övergödning har dock hittills uteblivit.
Havsborstmaskar påverkar
Det är inte bara syrekoncentrationer och temperatur som påverkar hur mycket av kvävet som omvandlas till kvävgas. De bottenlevande djuren, med sitt grävande och sin konsumtion av dött organiskt material, har också en stor påverkan på processerna i sedimenten. Det är av betydelse vilka arter och hur många djur som finns i ett område. Laboratorieförsök med havsborstmaskar av släktet Marenzelleria visar att förekomst av denna minskade omvandlingen av kväve till kvävgas med nästan femtio procent.
Istället omvandlades kvävet i hög utsträckning till den för växtplankton tillgängliga formen ammonium. Även detta kan förväntas eskalera de negativa effekterna av övergödning. Marenzelleria är en invasiv havsborstmask som upptäcktes i Östersjön under slutet av 1980-talet. Idag kan den återfinnas i alla av Östersjöns havsområden, och är en dominerande art bland de bottenlevande djuren i många områden.
Effektivare åtgärder
Idag är övergödning och ökande syrefria bottnar några av de största miljöproblemen för Östersjön. EU:s vattendirektiv och marina direktiv har blivit svensk lag sedan 2010, och kräver att både kustområden och utsjöområden ska hålla god ekologisk status 2020. För att nå upp till detta måste nationella och internationella beslutsfattare genomföra effektiva åtgärder, vilket är lättare sagt än gjort. Man har lyckats minska tillförseln av fosfat och nitrat till Östersjön, men effekten i form av minskade områden med syrefria bottnar eller minskad övergödning har hittills uteblivit. En stor del av förklaringen kan ligga i processerna i sedimenten, och en ökad kunskap kring hur dessa processer fungerar kan bidra till att utveckla effektiva åtgärder mot övergödning och syrefria bottnar.