Deel dit artikel

water in de ongerepte natuur is niet noodzakelijk glashelder. integendeel, de kleur is soms die van goedgetrokken thee. die kleur wordt voornamelijk veroorzaakt door opgeloste organische stof. recente gegevens tonen echter aan dat de concentratie opgeloste organische stof in natuurlijke oppervlaktewaters gemiddeld stijgt. die vaststelling leidt tot enige ongerustheid. of die trend te maken heeft met de klimaatsverandering, veranderingen van hydrologie dan wel met een verbeterde luchtkwaliteit wordt volop onderzocht.

De kleuren van het water

Erik Smolders

Heeft u het ook al gemerkt dat het water in beekjes van bos, hei of venen soms een bruine kleur heeft? De bruine kleur kan zo intens zijn dat het water meer lijkt op goedgetrokken thee. ‘Zwarte beek’, een naam die wereldwijd voorkomt, verwijst hiernaar. Als dit water ontspringt in het natuurgebied waarin u wandelt, dan is de kans groot dat die kleur een volledig natuurlijke oorsprong heeft. Sterker nog, als het beekje tal van watervalletjes heeft die turbulentie veroorzaken in het water, dan bestaat de kans dat u op het water schuimvlokken ziet. Ook die hebben een perfect natuurlijke oorsprong. Water uit de ongerepte natuur is dus niet noodzakelijk glashelder, al wil de reclame ons dat graag doen geloven. De bruine kleur die je ziet in dergelijke riviertjes is voornamelijk veroorzaakt door opgeloste organische stof (Dissolved Organic Matter of DOM), een bestanddeel van humus.

Humus ontstaat op zijn beurt in de bodem door de langzame afbraak van organisch materiaal. Humus is in feite de verzamelnaam van dergelijke afbraakproducten. Het heeft een complexe en variabele molecuulstructuur waarin men de bouwstenen van houtstof (lignine) aantreft en waarin ook looizuren (tannine) aanwezig zijn. Een tiental milligram opgeloste humus per liter geeft aan water al de bruingele kleur van een kopje goedgetrokken thee. Men onderscheidt in humus verschillende fracties naargelang van de oplosbaarheid. De meest wateroplosbare fractie noemt men de fulvuszuren. Wanneer regenwater door de bodem sijpelt, neemt het een deel van die fulvuszuren met zich mee en dit is wat uiteindelijk in het beekje terechtkomt. Bij een hevige stortbui stroomt water voornamelijk via het oppervlak naar de beekjes en ook op die manier komen humusbestanddelen in het water. Het opgeloste organische materiaal in water is zeker niet alleen afkomstig van de bodem. Ook waterplanten zijn een bron van organisch materiaal en in de rivieren die door bebouwde regio’s stromen, loost de mens via het afvalwater ook grote hoeveelheden organisch materiaal. In natuurlijke wateren, ver weg van de lokale invloed van de mens, varieert het gehalte organisch materiaal tussen 2 en 40 milligram per liter, met een gemiddelde van 10 milligram per liter.

Bij desinfectie van drinkwater is de vorming van ongewenste bijproducten afhankelijk van de concentratie opgeloste organische stof

Het opgeloste organische materiaal is een parameter die vele ecologische processen in het water stuurt. Het is een bron van voedingsstoffen voor de organismen in het water en het heeft het vermogen om metalen te binden waardoor de opneembaarheid van die metalen wordt beïnvloed. Drinkwater bevat het best zo weinig mogelijk opgelost organisch materiaal. Bij desinfectie van drinkwater is de vorming van ongewenste bijproducten afhankelijk van de concentratie opgeloste organische stof. Daarom verlagen watermaatschappijen via filtratietechnieken de opgeloste organische stof zoveel mogelijk vooraleer men het water desinfecteert. De jaarlijkse afvoer van opgeloste organische stof via oppervlaktewater naar de oceanen is een deel van de koolstofcyclus die we in de huidige context graag precies begrijpen, al is die afvoer slechts een zeer kleine fractie van de jaarlijkse koolstofuitwisselingen tussen bodem en atmosfeer.

Trendwatchers melden echter slecht nieuws. Recente gegevens tonen aan dat de concentratie opgeloste organische stof in natuurlijke oppervlaktewaters gemiddeld stijgt. Zo toonde een publicatie in 2005 aan dat in de periode 1990-2005 de concentratie opgeloste organische stof ongeveer verdubbelde in 22 bovenstromen en meertjes van de hooglanden in het Verenigd Koninkrijk. Niemand weet hoelang die trend al bestaat, want de metingen worden nog maar een kleine dertig jaar uitgevoerd. Die gegevens en de visuele waarnemingen van de kleurtoename in Scandinavische meren hebben geleid tot een zekere ongerustheid. Bovendien is de trend in de bovenlopen van onze rivieren omgekeerd aan deze die men over dezelfde periode vaststelt in de benedenlopen, bijvoorbeeld in de rivieren van verstedelijkte regio’s van Europa. Daar zijn grote inspanningen geleverd om het afvalwater te zuiveren van organische belasting. Die inspanningen resulteren in een daling van de concentratie opgeloste organische stof in het water en in een ermee samengaande stijging van de zuurstofconcentratie. Die verbetering van de toestand in de grote stromen van de lage gebieden is dus in tegenstelling met wat in de natuurlijke bovenlopen gebeurt.

Vanzelfsprekend gaven de gegevens over de concentratiestijging in de bovenlopen aanleiding tot uitgebreide studies en werd de klimaatsverandering als mogelijke oorzaak aangeduid. Apocalyptische uitspraken zoals de mogelijke destabilisering van het organische materiaal van de bodem door klimaatswijziging en de impact ervan op de globale koolstofcyclus kregen de aandacht. In het eerder genoemde artikel waren de auteurs echter voorzichtig met het aanwijzen van de klimaatswijziging als oorzaak van de concentratiestijging: op ruime schaal blijkt immers dat de concentratie opgeloste organische stof eerder lager is in gebieden waar de temperatuur hoger is, wat betekent dat globale temperatuursstijgingen de gemiddelde concentraties opgeloste organische stof eerder zouden doen dalen dan stijgen. Een andere verklaring die gegeven werd, was dat de toename in opgeloste organische stof veroorzaakt wordt door een toename in de frequentie of de duur van droge periodes, wat opnieuw gerelateerd is aan de klimaatsverandering.

Apocalyptische uitspraken zoals de mogelijke destabilisering van het organische materiaal van de bodem door klimaatswijziging kregen de aandacht

Inderdaad, verschillende experimenten met bodemstalen in het laboratorium tonen aan dat de concentratie opgeloste organische stof in een bodemoplossing piekt na het herbevochtigen van een droge bodem. Een toename van het aantal of de duur van droge periodes zou dus eventueel meer organisch materiaal van de bodem naar het water sturen. Die vrijstelling van het opgeloste materiaal wordt meer dan waarschijnlijk veroorzaakt door het openbreken van biomassa die afsterft na een periode van droogte of vorst in de bodem. Dit materiaal is echter goed afbreekbaar en men kan zich dan afvragen of dit materiaal de periode overleeft tussen het uitspoelen naar het grondwater en het transport naar het oppervlaktewater. Een groot experiment in een veengebied in het Verenigd Koninkrijk kon niet bevestigen dat langdurige droogtes de uitspoeling van organische stof versnelt. In dit experiment, waarbij een deel van het veen experimenteel werd uitgedroogd, vond men geen piek in de hoeveelheid organisch materiaal na herbevochtigen ten opzichte van de controle, eerder het tegendeel. De hypothese dat de opgeloste organische stof stijgt door klimaatsveranderingen werd daarom minder en minder plausibel.

In het vermelde artikel speculeerden de auteurs verder dat de trends van opgeloste organische stof ook te maken konden hebben met veranderingen van hydrologie, zoals vaker voorkomende stormen of gewijzigd landgebruik. Een speculatie van een heel andere aard was dat de trends misschien veroorzaakt werden door een algemene daling van de zure regen, dus door de verbeterde luchtkwaliteit over de laatste dertig jaar. In een notendop: de trend van een stijgende concentratie opgeloste organische stof zou niet meer zijn dan een weerspiegeling van het herstel van het ecosysteem naar de pre-industriële toestand. Betere luchtkwaliteit zou dus de oorzaak zijn van recent ‘dalende waterkwaliteit’ in de bovenlopen. Die hypothese werd in 2007 onderbouwd door een reeks gegevens in een artikel (gepubliceerd in Nature) van Don Monteith, die als senior research fellow verbonden is aan de University College London. Ze lijkt ook de meest logische en steunt op basisprincipes die reeds langer in de bodemchemie waren gekend.

Voor we de relatie verklaren tussen zure regen en opgeloste organische stof in oppervlaktewater, geven we graag eerst enkele cijfers uit dit artikel van Monteith. Hij en zijn medewerkers analyseerden de evolutie van de concentratie opgeloste organische stof in 522 meertjes en bovenstromen van Noord-Amerika, het Verenigd Koninkrijk en de Scandinavische landen. Het betreft hier uitsluitend waters uit natuurlijke ecosystemen, vrij van lokale verstoring behalve dan door bosbouw en/of extensieve begrazing. Het aantal geobserveerde stijgingen van de concentratie in opgeloste organische stof (n=363) lag veel hoger dan het aantal dalingen. De jaarlijkse stijgingen bedroegen één tot vier procent per jaar tussen 1990 en 2004 voor de Europese waters. De stijgingen in Noord-Amerika waren echter minder uitgesproken. De gemiddelde concentraties van opgeloste organische stoffen bedragen ongeveer 5 milligram per liter en de stijgingen gaan niet overal gepaard met een voor het menselijke oog waarneembare toename in kleur.

Om de relatie tussen oplosbaarheid van organisch materiaal en zure regen te verstaan, is het noodzakelijk om de structuur van humusbestanddelen te begrijpen. Die moleculen bevatten een groot aantal zogenaamde functionele groepen, zoals carboxylzuren en fenolische groepen. De carboxylzuren zijn bij de zuurtegraad van de bodem negatief geladen. (In de figuur worden ze aangeduid met het pijltje.) Meerwaardig geladen kationen uit de bodem, zoals het algemeen voorkomende Al^3+ (aluminiumion), vormen een sterke binding tussen verschillende kleinere fracties van humuszuur waardoor die een groot, onoplosbaar molecuul vormen. Niet alleen Al^3+ bouwt dergelijke bruggen, maar ook Fe^3+ (ijzerion) en zelfs het tweewaardig geladen Ca^2+ (calciumion). De hoeveelheid van die aluminium- en ijzerionen is in natuurlijke bodems sterk afhankelijk van de zuurtegraad van de regen die de verwering van mineralen beïnvloedt. De industriële revolutie in Europa en Amerika ging gepaard met een grote zwaveluitstoot die leidde tot een algemene zure neerslag op de bodems via de regen. Een zure neerslag versnelt de verwering van de bodemmineralen en leidt ook tot een stijging van de concentratie meerwaardig geladen kationen in de bodem. Bij hoge zoutconcentraties, voornamelijk zouten met meerwaardig geladen kationen, zal organisch materiaal dus slechter oplossen. Een daling van de zure neerslag leidt tot een herstel van het natuurlijke evenwicht, de zoutconcentraties in de bodemoplossing dalen terug en het organisch materiaal wordt opnieuw beter oplosbaar. Dit wordt weergegeven in het onderste luik van de figuur: bij lagere concentraties van zouten worden de bruggen tussen de negatief geladen deeltjes verbroken en stoten de deeltjes elkaar af waardoor het organisch materiaal beter oplost.

Het natuurlijke schuim op zachte, natuurlijke waters verdwijnt wanneer het water harder wordt

Misschien hoorde u nooit eerder over het verband tussen de aanwezigheid van meerwaardig geladen kationen en het oplossen van grote organische moleculen, maar u heeft dit ongetwijfeld wel al aan den lijve ondervonden: zeep lost beter op en schuimt meer in zacht water dan in hard water. Zacht water, zoals regenwater of water uit een bergriviertje, bevat weinig calcium- en magnesiumionen. Het natuurlijke schuim op zachte, natuurlijke waters verdwijnt ook wanneer het water harder wordt. Het is ook niet toevallig dat het heel zachte water van de Rio Negro (de zwarte rivier) in het Amazonewoud, zijn kleur én naam verliest op de plaats waar de rivier samenstroomt met de Amazone die een iets grotere hardheid heeft.

In hun artikel in Nature toonden Monteith en zijn collega’s aan dat de stijgende concentratie opgeloste organische stof in verschillende gebieden een verband vertoonde met dalende concentraties van voornamelijk sulfaat en in mindere mate calcium, magnesium en chloride. Jammer genoeg waren er geen gegevens beschikbaar over de samenstelling van de regen of bodemoplossing op een grote ruimtelijke en temporele schaal. Daarom werd de samenstelling van het oppervlaktewater zelf genomen als maat voor de trend in depositie. Voor sulfaat is dit een redelijke aanname, maar niet voor stikstof omdat die laatste sterk in het ecosysteem wordt weerhouden. Zure regen wordt voornamelijk veroorzaakt door de zwavel- en stikstofemissies, die wereldwijd sterk zijn afgenomen door toenemende rookgasbehandelingen. Correlaties van concentraties opgeloste organische stof met temperatuur of met hydrologische parameters gaven geen (statistische) verklaring voor de trends van het opgeloste organische stof in de meer dan vijfhonderd onderzochte waters. Voor de volledigheid moet ook worden gemeld dat er een zwak verband was tussen stijgende concentraties organisch materiaal en dalende concentraties van chloride. Dit zou worden veroorzaakt door de dalende depositie van zeezouten in de kustgebieden na de jaren 1990 omwille van een daling in het aantal zware zeestormen.

De verklaring voor de trend in de concentratie opgeloste organische stof door dalende zure depositie is aannemelijk omdat het gaat over een plausibel mechanisme dat experimenteel reeds werd aangetoond en omwille van de kracht van de grote getallen. De auteurs benadrukken echter dat die trends niet noodzakelijk over heel de aarde aanwezig zijn en mogelijk beperkt blijven tot die gebieden waar zure regen een grote impact heeft gekend, namelijk in Noord-Amerika, het Verenigd Koninkrijk en de Scandinavische landen. De auteurs stellen echter ook dat hun bevindingen suggereren dat de eerder geformuleerde uitspraken over de destabilisatie van het terrestrische koolstof overschat waren. Zoals hoger vermeld is de jaarlijkse flux van koolstof vanuit de bodem naar de oceanen minder dan één procent van de jaarlijkse bruto koolstofopname door terrestrische planten. Apocalyptische uitspraken krijgen jammer genoeg vaak meer aandacht dan genuanceerde verhalen, en deze studie suggereert dan ook dat die eerste onterecht de wereld waren ingestuurd.

Don T. Monteith et al., ‘Dissolved organic carbon trends resulting from changes in atmospheric deposition chemistry’, in: Nature, 2007, 450, 537-540.

Erik Smolders is als bodemkundige verbonden aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen