CONTENTS

List of original articles ......................................................................................................................................... 7
The authors’ contribution to the articles ............................................................................................................. 7
Abstract ................................................................................................................................................................. 9
1. Introduction .................................................................................................................................................... 10
　1.1 Specific features of the Baltic Sea and contribution of sediment P to eutrophication ............................... 10
　1.2 Occurrence of P in Baltic Sea sediments ................................................................................................... 11
　1.3 Chemistry and binding properties of P ...................................................................................................... 12
　　1.3.1 Phosphorus in common sediment minerals and on particle surfaces ................................................. 13
　1.4 Chemical fractionation as a tool for characterisation of sediment P .......................................................... 15
　　1.4.1 Previous phosphorus fractionation studies in marine sediments in the BS region ............................ 16
2. Objectives of the research ............................................................................................................................... 17
3. Materials and methods ................................................................................................................................... 17
　3.1 Application and evaluation of the P fractionation method and working practices (I, II) .......................... 17
　　3.1.1 Evaluation of the P fractionation method (I) ..................................................................................... 18
　　3.1.2 Evaluation of the effects of sampling practices and sample storage on P fractions (II) .................... 18
　　3.1.3 Assessment of change in forms of surface sediment P from spring to autumn ................................. 20
　　3.1.4 Assessment of variation in P forms and in their vertical distribution within one sedimentation basin ............. 20
　3.2 Study area ................................................................................................................................................. 20
　　3.2.1 General description of the study area ................................................................................................ 20
　3.3 Sampling and analytical methods (III, IV, V) ........................................................................................... 22
　　3.3.1 Sediment ........................................................................................................................................... 22
　　3.3.2 Pore water ........................................................................................................................................ 23
　　3.3.3 Near-bottom water ............................................................................................................................ 23
　3.4 Statistical analyses .................................................................................................................................... 23
4. Results and discussion .................................................................................................................................... 24
　4.1 Suitability and reliability of the methods for characterisation of sediment P in the northeastern BS (I, II) .......... 24
　　4.1.1 Reproducibility and reliability of the extraction method (I, II) ........................................................ 24
　　4.1.2 Oxygen-induced changes in P fractions (II) ..................................................................................... 26
　　4.1.3 Changes in surface sediment P forms from spring to autumn ........................................................... 28
　　4.1.4 Variation in P forms and in their vertical distribution within one sedimentation basin .................... 29
　4.2 Chemical character of sediment P in relation to sediment properties and chemistry of the pore water and near-bottom water (III, IV, V) ...30
　　4.2.1 Sediment properties in the study area ................................................................................................ 31
　　4.2.2 Spatial and vertical distribution of P and other extracted elements ................................................... 33
　　4.2.3 Impact of sediment properties on the chemistry of the sediment-water interface ............................. 40
　4.3 Sedimentation, burial and potential for release of P from sediment reserves in the northeastern BS (III, IV, V) ......... 41
　　4.3.1 Sedimentation and burial of P in the northeastern BS ....................................................................... 41
　　4.3.2 Potential for release of P from sediment reserves in the northeastern BS ......................................... 43
5. Conclusions ..................................................................................................................................................... 46
Acknowledgements ............................................................................................................................................. 47
References ........................................................................................................................................................... 48
APPENDIX ......................................................................................................................................................... 59

※堆積物リン分別法はJensen and Thamdrup（1993）による。〔←Psenner et al. (1988)〕

ABSTRACT

Eutrophication is a severe environmental problem in the Baltic Sea, especially in the Gulf of Finland and the Archipelago Sea, and it is enhanced by the release of phosphorus (P) from bottom sediments. The release of P from sediment reserves largely depends on the occurrence of P in different chemical forms and on the prevailing conditions, especially on the presence of oxygen. This study examines the chemical character and the vertical distribution of sediment P in two shallow estuaries, in shallow coastal sediments overlain by oxic near-bottom water, and in poorly oxygenated open sea sediments in the northeastern Baltic Sea. The objective was to evaluate how much of the sediment P is buried and removed from the nutrient cycle, and how much of it is in forms that can be released from the sediment to the overlaying water over time. Relationships between the distribution of the different P forms and the chemical and physical properties of the sediment, sediment pore water, and near-bottom water were determined in order to examine the behaviour of P at the sediment-water interface.

The results show that the chemical character of sediment P varied in the different areas. Generally, in the outer estuaries and in the organic-rich coastal areas in the eastern Gulf of Finland, the sediments were higher in P than the sediments in the poorly oxygenated open sea areas in the central and western Gulf. The estuary sediments that received erosion-transported nmaterial were characterised by P bound to hydrated oxides of iron and aluminum. Iron-bound P is sensitive to changes in redox-conditions, but part of it was buried in the estuaries, possibly because of high sedimentation rates and incomplete reduction of iron. The open sea sediments in the central and western Gulf of Finland were dominated by apatite-P, which was also abundant in the areas strongly affected by sediment transportation. The burial of sediment P was most effective in the areas rich in apatite-P, which is a relatively stable form of P in sediment. In the eastern Gulf of Finland, organic P forms predominated in the organic-rich sediments. A part of these P forms will be buried, while part will be degraded in the long term, releasing soluble P to the pore water. In the poorly oxygenated areas, iron compounds at the sediment surface are not able to retain P released during mineralisation of organic matter or reduction-induced dissolution of iron-compounds in deep sediment layers. However, in the shallow coastal areas overlain by oxic near-bottom water, the organic-rich surface sediment can also become temporarily reduced and release P from the sediment to the overlaying water. The considerable variation in the chemical composition of sediment P reserves in the northeastern Baltic Sea proved that it is an important factor and should be taken into account when evaluating the release of sediment P and the role of P reserves in bottom sediments in eutrophication.

Key words: Baltic Sea, fractionation, phosphorus, sediment

1.4　堆積物リンの特徴づけのための道具としての化学的分別化
　植物に対する土壌リンの有用性の問題に注目して、土壌化学者らは、土壌の栄養状態を決定するためにリンの様々な化学的形態について研究し、土壌の化学的性質と成因について研究した（Chang & Jackson 1957）。最初に開発された方法は連続的な抽出あるいは分別を行うものであり、そこで土壌リンは、異なる試薬に対する反応性に応じて様々な結合と溶解性の画分に分けられた。分別方法の原理はその収着のサイトから（陰イオンの競合を通じて）PO4のリンを移し、吸着表面を変え、リンを含む化合物を溶解することである。最も簡単に脱着する不安定な化合物が最初に希薄な試薬によって取り除かれ、もっと強く結合したリンの形態を分けるために、その抽出剤の強度は段階的に増加させられている。
　最も古い方法では、土壌リンは酸と塩基によって抽出され、鉄とアルミニウム酸化物に結合したリンからカルシウムに結合したリンと燐灰石リンが区別された（例えば、Anderson Fisher & Thomas 1935、Williams 1937、Dean 1938、Ghani 1943、Williams 1950）。Turner & Rice（1954）の仕事を基にして、Chang & Jackson（1957）は、初期の方法とは異なって、フッ化アンモニウム（NH4F）と水酸化ナトリウム（NaOH）をそれぞれ用いてアルミニウム結合リンと鉄結合リンを区別できる方法を開発した。この方法によって区別されたリンの他の形態は、硫酸（H2SO4）で抽出されたカルシウム結合リン、亜ジチオン酸ナトリウム（Na2S2O4）処理により分離された還元剤により可溶の鉄リン、前の抽出の繰り返しにより分離された吸蔵された（occluded）アルミニウムリン（および鉄リン）、および主に有機リンからなる安定な（refractory）リンである。初めに塩化アンモニウム（NH4Cｌ）処理で交換可能なカルシウムと共に水に可溶でゆるく結合したリンが取り除かれた。この方法およびその修正した方法は、土壌および湖堆積物（例えば、Hartikainen 1979）で広く使われてきたが、NH4Fはアルミニウムリンを抽出するだけでなく鉄リンを溶解することが知られたため鉄リンの分からのアルミニウムリンの過大見積りのために批判された（Bromfiel 1967、Williams et al. 1971）。Bostrom（後のoの頭に¨） et al.（1982）とPettersson et al.（1988）とCarman & Jonsson（1991）は、リンの分別法の発達を要約し、異なる方法を比較しそれらの欠点を議論している。他の方法の比較は、例えば、Van Eck（1982）やBarbanti et al.（1994）やRuban et al.（1999）によって示されている。

　環境問題としての表面水の富栄養化が認識されて以来、分別法は湖堆積物（Frink 1969、Williams et al. 1971、Williams et al. 1976、Hartikainen 1979、Hieltjes & Lijklema 1980、Psenner et al. 1984）および海洋堆積物（Holm 1978、Morse & Cook 1978、Lucotte & d'Anglejan 1985、Balzer 1986、Ruttenberg 1990, 1992、Jensen & Thamdrup 1993）中のリンのシンクとソースを研究するために数多く適用されるようになってきた。土壌中に見出されていたこれらに類似のリンの形態は、水性の堆積物中で検出され特徴づけされてきた。ゆるく結合するか、ゆるく吸着するか、交換可能であるか可溶な孔隙水のリンは、NH4Cｌ（例えば、Psenner et al. 1988、Hieltjes & Likjklema 1980）か、酢酸アンモニウム（NH4OAｃ；Van Eck 1982）か、塩化ナトリウム（NaCl；Jensen & Thamdrup 1993）か、塩化マグネシウム（MgCl2；Ruttenberg 1992）で抽出された。鉄とアルミニウム結合リン（あるいは非燐灰石リン）は、NaOH（例えば、Williams et al. 1976、Psenner et al. 1984、Jensen & Thamdrup 1993）で、カルシウム結合リンと燐灰石リンはHCｌ（例えば、Williams et al. 1971, 1976、Hieltjes & Lijklema 1980、Psenner et al. 1984）で抽出されてきている。Golterman（1996）は、抽出中における最も敏感な有機リン化合物の水和を避けるために、、比較的強いアルカリと酸による抽出をキレート剤（鉄リンに対してはCa-EDTA亜ジチオン酸塩およびカルシウムリンに対してはNa2-EDTA）に変えた。水成堆積物中では、還元条件で放出されるリンは重要なリンの形態であると考慮され、異なる還元剤が分別法に導入された。Chang & Jackson（1957）は彼らの方法において亜ジチオン酸塩（Na2S2O4）による還元剤に可溶な鉄リンの分離のステップを既に採用しており、pHの変化を避けるための重炭酸塩の緩衝剤（buffer）と一緒ではあるが（Mehra & Jackson 1960、Williams et al. 1980、Psenner et al. 1984、Ruttenberg 1992、Jensen & Thamdrup 1993）、湖堆積物に対しても同じ試薬（キレート化のためのクエン酸塩と共に、または単独で）が用いられている。亜ジチオン酸塩に加えて、例えば、硫化水素（H2S、Carman & Jonsson 1991）とアスコルビン酸（Anschutz et al. 1998）が堆積物中の鉄の還元のために用いられてきた。Ruttenberg（1990, 1992）は、火成岩または変成岩起源の砕屑性燐灰石から由来しリンのシンクとして作用する、自生燐灰石（炭酸フッ化燐灰石と生物源水酸化燐灰石とカルシウム炭酸塩とCaCO3結合リン）を区別するために酢酸ナトリウムによる抽出を取り入れて重要な改良を行った。

　無機リンの形態は、有機リンの形態を分析する適当な方法がなかったことも理由の一つであるが、分別法で最初は強調された。土壌と堆積物中の有機リンは伝統的にアルカリ溶液（例えばNaOH）か酸で抽出されるか、単に全リンと無機リンの差として決定された（Mehta et al. 1954、Legg & Black 1955）。後に、Sommers et al.（1972）は抽出に陰イオン交換クロマトグラフィーを結びつけ、Bowman & Cole（1978）は土壌有機リンを、不安定な（labile）、適度に不安定な、適度に安定な（resistant）、および非常に安定なものにクラス分けし、Hedley et al.（1982）は溶解した微生物細胞からの有機リンを含めて異なる結合強度の有機リン間を区別した。有機リンの抽出におけるよく知られた問題は簡単に水和可能な有機リン分子のPO4リンへの水和作用であり、それは抽出の間あるいはモリブデン酸青法の酸性試薬を用いたPO4リンを決定する間（Koroleff 1983）に生じた。希薄なNaOHにより加水分解を最小化させる試みや、例えば、ニトリロ三酢酸（NTA；Golterman 1982）のようなキレート剤を用いた試みが行われた。Psenner et al.（1988）による方法では、有機リンはアルカリで抽出可能なリンと残渣リンに分けられ、後者は主に安定（refractory）リンからなると考えられている。後には、分析方法の改良と³¹P-NMRが有機リン化合物の異なるグループの同定に利用された。例えば、オルトリンモノエステルやジエステル（ortho-P mono- and diesters）、ポリリン酸塩（polyphosphates）、ホスホン酸（phosphonates）、そしてピロリン酸（pyrophosphate）が、例えば、堆積物や土壌のNaOHやEDTA抽出により同定されてきている（Ingall et al. 1990、Hupfer et al. 1995、Turner et al. 2003、Carman et al. 2000、Ahlegren et al. 2005）。

　堆積物中の純粋な鉱物相よりも比較的低濃度で少量存在する類似の挙動を示す化合物のグループを決めることができるため、連続抽出法は役にたつ（Ruttenberg 1992）。その方法は雑であるけれども、ある環境条件下で、海洋系での新しい有機物の生産に対して役立ったり、あるいは堆積物と共に埋没したり栄養循環から取り除かれるような、リンの割合を評価して堆積リンを特徴づけするために利用できる。連続抽出は操作的に定義され、つまり、その結果は使用される方法と試薬に依存する。それゆえに、異なる堆積物のリンの研究の結果の比較は、用いられる分別法の変動のために難しくなる。さらに、水成堆積物に関して、特に低酸素では、試料採取方法がリン画分とりわけ可溶なリンと鉄結合リンに重大な影響を与えることがある。Fe²⁺の酸化は比較的速く（Davidson & Seed 1983、Millero et al. 1987）、還元された堆積物中の第一鉄は大気中のO2により容易く酸化されて第二鉄の形態になり、孔隙水からの溶存リンと結合する（Mortimer 1942, 1971、Krom & Berner 1980）。この問題は大気O2から、例えば、グリーブバック中でアルゴン（Ar）やN2で堆積物を保護することで克服されてきた（Krom & Berner 1980、Wiltshire 1991、Jensen & Thamdrup 1993）。

3.1　リン分別法と研究成果（�T、�U）の適用および評価
　堆積物のリン分別に用いられた方法はJensen & Thamdrup（1993）により示された5ステップ法であり、それは堆積物のリンの形態を6つに分けるものである：１）ゆるく吸着したリンと孔隙水リン（NaClにより抽出された）；２）主に鉄である還元可能な金属の水酸化物に結合した酸化還元に敏感なリン（pH 7で炭酸水素塩緩衝剤であるNaHCO3中でのNa2S2O4）；３）不安定な（labile）有機リン（NaOHでの非反応性リン、全リンとPO4リンの差として計算されたもの）；４）前のステップで還元されなかった金属の酸化物に結合したリン、例えばアルミニウム（NaOHでのPO4リン）；５）カルシウム結合リン、主に燐灰石鉱物から（HCｌ）；そして６）残渣（residual）リン、主に安定な（refractory）有機リン（HCｌ）。これらの6つの画分は、それぞれ、NaCl-iP、NBD-iP、NRP、NaOH-iP、HCl-iP、Res-Pである。

　リンの形態の特徴づけに対するリン分別法の適合性は、環境や、研究される物質や、その方法が元々設定していた物質のタイプに依存している。例えば、多量の粘土質物質と有機物と石灰質鉱物は、異なるリンの形態間を区別するための抽出法の能力に影響を与える可能性がある（Ruttenberg 1992）。本研究地域での堆積物は典型的にCaCO3に欠乏しているが、有機物と鉄には富んでいる（Winterhalter et al. 1981、Emelyanov 1988、Conley et al. 1998）。したがって、鉄に結合したものと有機リンの形態は最も重要であることが予想された。湖堆積物に対してはPsenner st al.（1984）とPsenner et al.（1988）により開発された抽出法が、そして海洋堆積物に対してはJensen & Thamdrup（1993）により改良されたものが、我々の研究地域の堆積物に典型的な、酸化還元の変化に敏感な鉄結合リンを強調するために選ばれた。それはまた、有機リンを2つの画分である不安定（labile）と安定（refractoy）の有機リンに分けている。この方法は、炭酸塩堆積物でのカルシウム結合リンの消費による鉄結合リンの過大見積りが非難されている（Jensen et al. 1998）。しかしながら、本研究地域ではCaCO3含有量が低いため重大な要因とは考慮されなかった。

　多くのリン分別の研究では、堆積物試料は抽出の前に乾燥されている（例えばRuttenberg 1992、Filippelli & Delaney 1996）。しかし、ほんの僅かの研究しか、特に低酸素の堆積物において、リンの分別に対する堆積物の乾燥の影響を評価していない。大気への露出は容易く還元された鉄化合物を酸化し、その結果、PO4リンに結びつく（Krom & Berner 1980、Wiltshire 1991）。さらに、乾燥と凍結は有機リン化合物の部分崩壊を生じる可能性があり、したがって溶解したリンと鉄結合リンの形態を増加させる（Jensen & Thamdrup 1993、Jensen et al. 1995、Goedkoop & Pettersson 2000、Lukkari未公開データ）。堆積物の前処理によって生じる変化を減らすために、Psenner et al.（1984）とPsenner et al.（1988）とJensen & Thamdrup（1993）は新鮮な堆積物を分別し、そして後の著者らはN2ガス（大気圧）下で2つの最も敏感なリンの形態の抽出を行った。

3.1.1　リン分別法（�T）の評価
　3.1.1.1　方法の改良
　Jensen & Thamdrup（1993）は、最初のステップでのNH4CｌをNaClで置き換えてカルシウムの置換（Hieltjes & Lijklema 1980、Pettersson et al. 1988）を最小化する試みを行ってPsenner et al.（1988）による方法を改良した。さらに、彼らは尾引き現象であるテーリング、つまり、孔隙水中に残ったリンの次の画分への移動を最小化するためにステップ�T〜�Wの後にすすぎ洗いのステップを加えた。彼らはまた容易く水和してしまう有機リン化合物（Hupfer et al. 1995）、これは、例えばアルミニウム化合リンのように、NaOHでPO4リンの過大見積りを生じる可能性のある、加水分解を最小化するためにもっと希薄なNaOHを使った。

　本研究では、Jensen & Thamdrup（1993）による方法がわずかだがさらに（�T）改良された。安定な（refractory）有機リンを分離する最後のステップがSEDEX法（Aspila et al. 1976、Ruttenberg 1992）での相当するステップに置き換えられたが、このステップは間違いのない結果を生むことが知られており（Ruban et al. 1999）、実行が易しいように思われたからである。加えて、抽出剤がリンに富む堆積物でリンに関して飽和しないであろうことと、すべての決定に対して十分な抽出液が存在するであろうことを確実にするために小さな堆積物／溶液比が用いられた。さらに、NaOHで抽出可能な有機リン（NRP）はJensen & Thamdrup（1993）およびPaludan & Jensen（1995）で記載されたものとは異なるやり方で処理された。不安定および安定な有機リンの分離はそれらの溶解（すなわち、粒径）を基に行われた。NaOHに溶解した有機リン（＜0.4マイクロメートル）は不安定な有機リン（NRP）と考慮され、NaOHで粒子状のリン（＞0.4マイクロメートル）はより頑強で（recalcitrant）あると考えられ安定な（refractory）有機リン画分（Res-P）に含められた。この改良の合理性は、例えば沿岸海水中や、微生物が主に低分子量有機物を利用すること（Ogura 1975）や、より大きな分子と粒子は小さなものよりもっとゆっくり分解されることや例えばAl³⁺やFe³⁺との錯体を優先的に形成することが推測されていること（Hargrave 1972、Steinberg & Muenster 1985）の発見により支持された。このリンの分別法（�T、図１）と試料処理と分析方法は論文�Tに詳しく述べられている。