Humuspitoisuus

Humuspitoisuus on vesistöjen tutkimuksessa yksi luonnonveden ominaisuutta ilmaiseva suure, jolla pyritään selvittämään vesistön yleistilaa ja sen eliöiden ravintotilannetta. Humus on tummaa, eloperäistä eli orgaanista ainetta, joka muodostuu maaperässä kasvien maatuessa epätäydellisesti suoturpeeksi tai kangasturpeeksi. Humusta syntyy myös esimerkiksi kompostoinnissa. Ne aineet, jotka irtoavat humusturpeesta veteen ja alkavat kulkeutua eteenpäin, kutsutaan humusaineiksi. Humusaineita huuhtoutuu pelloilta, soilta ja metsistä jokiin ja järviin värjäten niiden veden keltaiseksi, ruskeaksi tai tummanruskeaksi. Soilta tulevan humuksen värjäämä vesi on yleensä kirkasta, toisin kuin savialueiden järvien vesi, joka on kiinteistä savihiukkasista sameaa. Jos rikotun turpeen pinnasta irtoaa huuhtoutumisen yhteydessä paljon kiinteässä muodossa olevaa humusainetta, muodostaa myös se vesistössä sameutta. Humusyhdisteiden osuus vesistön orgaanisesta aineksesta vaihtelee. Merivesissä se on 10–30%, joissa ja puroissa 40–70% ja järvivesissä noin 50%. Suomen järvistä valtaosa on humuspitoisia. Niitä kutsutaan dystrofisiksi tai dyseutrofisiksi järviksi.

Humusaineet esiintyvät vedessä liukoisina humusyhdisteinä (värillinen vesi), kolloidisina humusyhdisteinä (veteen liukenemattomina suurina molekyyleina) sekä kiinteässä muodossa (mikroskooppisina kasvinosina). Humusaineet jaetaan yleensä karkeasti kolmeen luokkaan: humushappoihin, fulvohappoihin ja humiineihin. Humusaineita ei ole tutkittu kovinkaan laajasti. Humuspitoisuudella tarkoitetaan humusaineiden määrää vedessä. Humuspitoisuuden yksikkönä käytetään milligrammaa litrassa vettä eli mg/l.

Mittaaminen

Ei ole olemassa mitään yksinkertaista tai yhtä menetelmää määrittää humusaineiden määrää vedessä. Siksi sitä voidaan tutkia usealla eri tavalla ja saada tulokseksi eri asioita ilmaisevia tuloksia.

Vedenväri

Pääartikkeli: Vedenväri

Tutkimuksessa on huomattu, että humusjärvissä humusaineiden määrän ja vedenvärin välillä on hyvä lineaarinen korrelaatio. Vedenvärillä voi siis karkeasti määrittää järven humuksen määrän. Väriluku sisältää kuitenkin muidenkin vettä värjäävien aineiden tummuutta. Happamassa järvessä saattaa olla runsaasti rautaa tai mangaania, joten väriluku antaa siinä humusaineille liian korkeita arvoja. Siksi tarvitaan muitakin testejä.

Järvet jaotellaan humusaineiden värin mukaan karkeasti kolmenlaisiin järviin. Ne ovat väriluvun (mgPt/l) mukaisesti ryhmiteltynä:

• alle 30 mgPt/l, vähähumuksiset järvet
• 30–90 mgPt/l, humusjärvet
• yli 90 mgPt/l, runsashumuksiset järvet

Humuksen kokonaismäärä

Suurihiukkaista kiinteää ainetta voidaan suodatta vedestä pois suodattimilla. Yleensä se suodatetaan kaikissa testeissä aluksi pois 0,45 mikronin suodattimilla (pinta, jossa 0,45 mikrometrin läpimittaiset reiät). Läpi päässyt jae sisältää humusaineita niiden määritelmän mukaisesti sekä lisäksi joukko epäorgaanisia yhdisteitä ja kiinteää ainetta (esimerkiksi mineraaleja ja savea). Koska mineraalit ja savi eivät pala, voidaan suodoksen polttamisella saada humusaineiden määrästä arvio (hehkutushäviö).

Liuennut orgaaninen hiili

Liuenneen orgaanisen hiilen (DOC, engl. Dissolved Organic Carbon) mittaaminen antaa kaiken veteen liuenneen hiilen määrän yksikössä milligrammoja litrassa vettä (mgC/l). Ennen hiilen massan määrittämistä, vedestä suodatetaan pois kaikki yli 0,45 mikrometrin (μm) suuruiset hiukkaset. Toisinaan halutaan suodattaa kaikki yli 0,22 μm hiukkaset pois. Tämä on tarkin humusaineiden määrittävä menetelmä, mutta samalla se on niistä kallein. Kaikki vedessä oleva hiili ei kuitenkaan ole humusainetta (esimerkiksi aminohapot, hiilihydraatit, vahat, hartsit), joten menetelmä yliarvioi hieman humusaineiden määrän.

Orgaanisen hiilen kokonaismäärä

Orgaanisen hiilen kokonaismäärä (TOC, engl. Total Organic Carbon) kuvaa osittain humusaineiden määrää vedessä. Orgaanisen hiilen määrään luetaan kuitenkin vielä organismien aineenvaihduntatuotteet, kuolleiden organismien jäänteet, bakteerikasvustot ja hiiltä sisältävät muut yhdisteet. Mittatulos ilmoitetaan yksikössä mgC/l.

Kemiallinen hapenkulutus

Kemiallinen hapenkulutus (COD_Mn, engl. Chemical Oxygen Demand) mittaa liuoksessa kuluvan hapen määrää, kun orgaaninen aines hapatetaan voimakkaalla hapettimella. Se on yleisin käytettävä humuspitoisuuden määrittävä menetelmä. Kaliumpermanganaatti (KMnO₄) on tehokas hapetin, jolla osa humuksen hiilestä muutetaan hiilidioksidiksi. Se muuttaa samalla kaikki muutkin hapetettavat aineet kuten esimerkiksi ammoniumioinit (typpi). Määritys suoritetaan keittämällä näyte kaliumpermanganaatin kanssa 20 minuutin ajan ja määrittämällä hävinneen permanganaatin avulla tapahtunut hapenkulutus. Tulos ilmoitetaan milligrammoina happea litrassa vettä eli mg/l. Jos samassa yhteydessä esitetään muitakin pitoisuuksia, voidaan kulutusarvo ilmaista mgO₂/l tai mg/l O₂. Aikaisemmin käytettiin niin sanottua permanganaattilukua (KMnO₄-luku), jonka arvo kerrottuna luvulla 0,253 antaa kemiallisen hapenkulutuksen (COD_Mn). Muut hiilen määritysmenetelmät suhtautuvat keskenään seuraavasti:

$COD_{Mn}\approx KMnO_{4}\cdot 0,253\approx DOC\approx (1,1\dots 1,4)\cdot TOC$

Karkeat arviot vesistöjen vedestä tai käyttövedestä ovat:

• 4–10 mgO₂/l, kirkaat värittömät vedet
• 10–20 mgO₂/l, humusvedet
• alle 3,0 mgO₂/l = 12 mg/l (KMnO₄), talousvedet
• alle 5,1 mgO₂/l = 20 mg/l (KMnO₄), yksityistaloudet

Metsäteollisuuden päästöt nostavat näitä arvoja ja samoin tekevät soiden- ja metsien ojittaminen. Luonnontilaisten järvien suuret valuma-alueet kasvattavat myös hapenkulutusarvoja.

Jätevesien EU-direktiiveissä on kehotettu käyttämään voimakkaampaa hapetinta kaliumdikromaattia (K₂Cr₂O₇). Sen antamat mittausarvot tunnetaan dikromaatti-lukuna (COD_Cr).

Biologinen hapenkulutus

Bakteerien aiheuttama luontainen biologinen hapenkulutus (BOD₇, engl. Biological Oxygen Demand) voidaan mitata bakteerien viikon (7 päivää) aikana kuluttamalla (inkubointi) hapen määrällä, joka on samalla verrannollinen hajotetun humusaineen määrään. Vesinäyte laimennetaan ensin sopivaan pitoisuuteen ja siitä mitataan happipitoisuus. Sitten näyte viedään pimeään 20 °C:n lämpötilaan, jossa bakteerit käyttävät humusaineita ravinnokseen ja samalla kuluttavat liuennutta happea. Määräajan jälkeen liuenneen hapeen määrä mitataan uudestaan. Havaittu erotus ilmoitetaan yksiköllä mgO₂/l. Joskus inkubointi kestää vain viisi päivää, jolloin mittausarvoa merkitään tunnuksella BOD₅.

Veden asborbanssi

Kun vettä tutkitaan valolla ja sen määrä mitataan fotometrisesti, saadaan menetelmä jatkuvatoimiselle ja automaattiselle mittaukselle.

Lähteet

• Haapanen, A. & Mikkola, P. & Tenovuo, R.: Luonto ja luonnonsuojelu. Otava. 1977, s. 350. ISBN 951-1-04400-1.
• Berger, M. & Kaukonen, M-R.: Humus - raakavesiemme erikoisuus. Teknillinen korkeakoulu. Vesitekniikan laitos. 1984.ISBN 951-753-360-8.

Aiheesta muualla

• U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Cincinnati, OH (2009). Method 415.3: Determination of Total Organic Carbon and Specific UV Absorbance at 254 nm in Source Water and Drinking Water epa.gov. (PDF; 405 kB). Revision 1.2. Document no. EPA/600/R-09/122.