Where land meets sea: Effects of terrestrial inputs on contaminant dynamics in Arctic coastal ecosystems (TerrACE)

Arktiske kystnære økosystemer er i endring, der flere (ofte sammenfallende) påvirkninger fører til betydelige og langsiktige miljøendringer. Faktorer som redusert permafrost, smeltende isbreer, endringer i nedbør og avrenningsmønstre samt endringer i arealbruk grunnet økende menneskelig aktivitet i nordområdene kan føre til endringer i hvordan næringsstoffer, organisk materiale og miljøgifter tilføres fra land til hav. TerrACE-prosjektet har hatt fokus på å generere kvantitative data om terrestriske tilførsler til kystvann på Svalbard og hvordan disse tilførslene direkte og indirekte kan påvirke konsentrasjoner av miljøgifter som kvikksølv og PCB i de påvirkede kystnære økosystemene. I 2018, samlet vi inn en omfattende sett av vannprøver fra elver og kystvann, samt sedimenter, plankton, bentiske organismer og fisk fra Isfjorden's kystområder. Etter prøveinnsamling, så har vi analysert vann og partikler from elver og fjorden for å måle konsentrasjoner av organisk karbon, næringssalter og kvikksølv (Hg). I tillegg til kvantitet av løst og partikulært organisk material, så har vi også sett på hvordan kvaliteten av dette organiske materialet varierer gjennom smeltesesongen samt lang elv-til-fjord gradientene. Vi har også brukt passive prøvetakere for å måle konsentrasjoner av flere organiske miljøgifter (PCBer og HCB) for et utvalg av elv- og fjord-stasjonene. I tillegg så har vi analysert marine sedimenter for kornstørrelse, og konsentrasjoner av organiske karbon og miljøgifter (Hg, PCBer og HCB). Gjennom analyse av stabile isotoper av karbon og nitrogen og fettsyresammensetning, får vi innsikt i matkilder for pelagiske og bentiske kystorganismer. Dette er viktig for å hjelpe oss til å forstå bruk av terrestriske energikilder av kyst organismer, samt potensialet for bioakkumulering og biomagnifisering av miljøgifter i disse økosystemene. Et bredt spekter av biotiske prøver har vært analysert for PCBer og HCB, samt total og metyl-Hg. Vi har benyttet oss av pågående feltarbeidet for å samle ytterligere prøver fra de samme gradienter for å generere komplementære data på hvordan terrestriske tilførsel kan påvirke struktur og funksjon av kystøkosystemer. Vi har hatt MSc studentprosjekter og samarbeidsprosjekter som har generert detaljert data på arts sammensetning til bentiske fauna, dyreplankton, samt mikrober (inkl. planteplankton og bakterier). Gjennom MSc prosjekter vi har også hatt preliminære studier på sjøfuglkolonier som kilder av næringssalter til kystøkosystemer (Finne et al. 2022), samt næringsnettstruktur og Hg-kontaminering av en laguna på kysten av Svalbard. Vi har kommunisert resultater gjennom vitenskapelige artikler, mastergradsoppgaver, og foredrag ved konferanser og workshops. Prosjektet har hatt et stort fokus på utdanning, med 1 ferdig PhD tilknyttet prosjektet, samt 8 gjennomførte MSc. Noen viktige høydepunkter basert på prosjektresultater er inkludert nedenfor: 1. Vi har funnet at tilførsel fra land har en stor effekt på fysiske og kjemiske forhold i kystområder i Isfjorden gjennom smeltesesongen. Elver transporterte store menger av sedimenter til kystvann, som da ledet til økt lyssvekking samt økt temperatur i kystvann. Elver var også en viktig kilde av organisk karbon (særlig gjennom snøsmelting i mai/juni) samt næringssalter (særlig senere i smeltesesongen). (se McGovern et al. 2020) 2. Elver var også en viktig kilde av Hg til kystvann og sedimenter, mens det er mindre klar hvorvidt dette bidrar til høyere Hg konsentrasjoner i næringsnettet. (Poste et al., in prep) 3. I kontrast med det vi har observert med Hg, tilførsel fra land virker ikke å være en stor kilde av POPs til kystvann, sedimenter eller dyreplankton. For eksempel, konsentrasjoner av PCBer og HCB i suspendert sedimenter i elver og i marin sedimenter foran breer og elveutløper var betydelige mindre en konsentrasjonene den ytre fjorden. Resultatene peker på en primært marint kilde for disse miljøgifter, og at stor tilførsel av terrestriske partikler og høy sedimentasjon i kystnære områder kan kanskje gi en «fortynningseffekt» for PCBer og HCB i kystnære sedimenter (se Johansen et al. 2021, McGovern et al. 2022, Skogsberg et al. 2022). 4. tilførsel fra land hadde også en stor effekt på den biokjemiske sammensetningen (og kvaliteten som næringskilde) av partikulært organisk material i både sedimenter og vannsøylen. Vår resultater viser også tegn til at terrestriske energikilder er brukt av flere kystorganismer (McGovern PhD thesis). Forskningen utført gjennom TerrACE-prosjektet bidratt med viktig kunnskap tilknyttet hvordan tilførsler fra land kan påvirke vannkvalitet, økologi samt transport/skjebne og bioakkumulering av miljøgifter i kystøkosystemer på Svalbard. TerrACE har også gitt ny kunnskap relatert til land-hav interaksjoner i en endrende Arktis, og har vært en viktig platform til å utvikle nye forsknings- og samarbeidsmuligheter både i Svalbard/Nord Norge og internasjonalt.

The project results are significant for three main reasons: 1) our results suggest that inputs of land play a key role in shaping the coastal environment, with implications for ecosystem structure and function; 2) we show that rivers are an important source of Hg to Svalbard's coastal environment; and 3) in contrast, terrestrial inputs are not a substantial source of POPs to the coast. These results will continue to generate new relevant lines of research related to how climate change is likely to impact Arctic coastal ecosystems. Coastal ecosystems are a key source of food and livelihood for communities across the Arctic, and the potential for climate change and release of contaminants from the thawing cryosphere to lead to increased contamination of coastal food webs is of growing concern. TerrACE has also led to increased interdisciplinary collaboration on Svalbard, and has made a strong contribution to education, training and capacity building in early career researchers.

Arctic coastal ecosystems are in transition, with multiple (often interrelated) stressors leading to substantial and long-term environmental change. Stressors such as climate change (including thawing permafrost, melting glaciers, and changes in precipitation and runoff patterns) and land-use changes related to increasing human activity in northern regions can lead to changes in fluxes of water, nutrients, organic matter and contaminants across the land-ocean interface. The TerrACE project focuses on generating quantitative information about terrestrial inputs to coastal waters in Svalbard, and how these inputs directly and indirectly affect contaminant concentrations in affected coastal ecosystems. Key project components include: 1) characterization of riverine water chemistry (including nutrients, organic matter, and contaminants) in the Isfjorden region of Svalbard, 2) a detailed survey of physicochemical conditions (and abiotic contaminant concentrations) along gradients in the influence of terrestrial inputs (i.e. river-fjord and glacier-fjord transects, and sites adjacent to seabird colonies), 3) a quantitative assessment of the effect of terrestrial inputs on energy and contaminant flow through coastal food webs, and 4) the development of a spatially applied Bayesian Network model tool describing the direct and indirect effects of terrestrial inputs on contaminant accumulation in coastal food webs. Through this combination of field-based and modelling approaches, the TerrACE project will provide critical insight into the complex interplay between terrestrial inputs to coastal waters and coastal biogeochemistry, ecology, and contaminant dynamics, and will provide novel modelling tools for monitoring, management and protection of Arctic coastal ecosystems.