MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Miljø- og Fødevareudvalget 2017-18
MOF Alm.del Bilag 298
Offentligt

Betydningen af oxidationsmetode for

målinger af total kvælstof og total fosfor

i marine prøver

Notat fra DCE - Nationalt Center for Miljø og Energi

Dato: 19. februar 2018

Forfattere:

Jacob Carstensen, Martin Mørk Larsen, Jesper P. Christensen og Karen Timmermann

Institut for Bioscience

Rekvirent: Miljøstyrelsen

Antal sider: 37

Faglig kommentering: Peter Henriksen

Kvalitetssikring, centret: Poul Nordemann Jensen

Tel.: +45 8715 0000

E-mail: [email protected]

http://dce.au.dk

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Indhold

Sammenfatning

Forord og problemstilling

Analyse af data, hvor autoklave og UV- metoder er anvendt

på samme prøve

2.1

2.2

2.3

Datagrundlag

Statistisk analyse

Resultater og diskussion

Analyse af dansk, svenske og tyske data for Kattegat og

Bælthavet

3.1

3.2

3.3

Datagrundlag

Statistisk analyse

Resultater og diskussion

Vurdering af de analysemetoder, som bruges i Danmark og

nabolande

4.1

4.2

Total nitrogen analysemetoden

Total fosfor analysemetoden

Diskussion

5.1

5.2

Kvantificering af underestimering af organisk kvælstof

efter anvendelse af UV-oxidation

Kvantificering af afvigelser for organisk fosfor efter

anvendelse af UV-oxidation

Vurdering af implikationer

6.1

6.2

Vurdering af implikationer for vandområdeplaner

Vurdering af implikationer for klassifikation af områders

økologisk tilstand

Referencer

Bilag 1

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Sammenfatning

Miljøstyrelsen har bedt om en vurdering af den systematiske afvigelse, der

siden 2010 er sket ved at anvende UV-metoden frem for autoklavemetoden til

oxidation af organisk materiale ved analyse af marine næringsstofprøver i det

danske overvågningsprogram. Vurderingen er foretaget på baggrund af et

datasæt på 50 prøver indsamlet af Miljøstyrelsen i efteråret 2017, hvor prø-

verne er analyseret både med UV- og autoklavemetoden. Endvidere er der

udført en analyse af danske, svenske og tyske overvågningsdata på stationer

i Kattegat og Bælthavet. I det følgende er besvarelsen af Miljøstyrelsens be-

stilling sammenfattet.



Vurdering af om de gennemførte parallelanalyser giver et retvisende billede af,

hvorvidt der kan forventes afvigelser på analyseresultater, samt i givet fald stør-

relsen af afvigelser mellem de to oxidationsmetoder "autoklavering" og "UV-me-

toden".

For organisk kvælstof (ON) og dermed total kvælstof (TN) giver parallel-

analyserne et sikkert grundlag for at konkludere, at anvendelse af UV-me-

toden underestimerer koncentrationerne af ON i betydeligt omfang og

dermed også koncentrationerne af TN. Den kvantitative vurdering på bag-

grund af de data, som indgår i denne analyse, er, at UV-metoden systema-

tisk underestimerer ON-koncentrationen med omkring 16% i middel og

en spredning på 9% på enkeltprøver. Da ON i middel udgør 81% af TN vil

UV-metoden i middel underestimere TN-koncentrationen med 13%. Den

aktuelle underestimering af TN afhænger af fraktionen af uorganisk kvæl-

stof (DIN), idet en højere andel af DIN medfører en mindre underestime-

ring af TN.

Selvom det for ON er muligt at estimere en gennemsnitlig procentvis for-

skel mellem UV- og autoklavemetoden, er der klare indikationer af, at for-

skellen mellem UV- og autoklave-oxidation er påvirket af systematiske af-

vigelser i relation til salinitet og dybde. Det er i overensstemmelse med

vores viden om, at organisk stof i havvand over tid bliver mere resistent

for nedbrydning. Derudover forventer vi også en systematisk sæsoneffekt,

da der ved algeproduktion, som er størst i sommerhalvåret, dannes lettere

omsætteligt organisk stof. En sådan effekt kan ikke analyseres på basis af

det eksisterende datagrundlag.

Effekten af salinitet på korrektionen mellem UV og autoklave er dog ikke

entydig, hvilket skyldes, at salinitet kun delvis er en god tilnærmelse for

”alder siden ferskvandspåvirkning”, da de hydrologiske forhold i danske

farvande er komplekse med salinitetsgradienter fra inderfjorde til åbent

vand, fra Østersøen mod Nordsøen samt fra overflade mod bund. Man vil

derfor opnå bedre sikkerhed i en korrektion af data, hvis der indsamles

prøver, som dækker et helt år på en række stationer og som undersøger

problemstillingen under forskellige hydrologiske forhold. Analysen bør i

givet fald udføres, så de optiske forhold og tiden fra ferskvandpåvirkning

inddrages.

For organisk fosfor (OP) og total fosfor (TP) er der ifølge parallelanalyserne

i middel ikke forskel på UV- og autoklavemetoden, og det er ikke muligt

at estimere en meningsfuld forskel mellem metoderne. Datasættet giver

ikke et tilstrækkeligt grundlag til vurdering af UV-metodens effektivitet

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

med hensyn til oxidation af OP. Dette skyldes, at det ikke er muligt at ad-

skille laboratorieeffekter fra effekten af oxidationsmetode, samt at fortolk-

ningen kompliceres af, at UV-metoden mod forventning måler højere OP-

koncentrationer end autoklavemetoden ved lave OP-koncentrationer, hvil-

ket resulterer i et positivt skæringspunkt i relationen. Vurderet ud fra de

estimerede relationer vil metoderne ved høje OP-koncentrationer måle

omtrent ens. En mulig årsag til, at autoklavemetoden mod forventning må-

ler lavere koncentrationer end UV-metoden (observerbart ved lave OP-kon-

centrationer) er, at autoklavemetoden kan være udført uden at tage hensyn

til interferens fra klorgasser, som udvikles under opvarmning og oxidation

med autoklavemetoden, og som efterfølgende skal fjernes, inden analysen

for ortofosfat. Dette underbygges yderligere af, at fejlen er stærkt korrele-

ret til salinitet, idet højere salinitet vil give større udvikling af klorgas.



Vurdering af, hvorvidt der fagligt kan opstilles modeller for korrektion af analyse-

data og om dette ud fra et fagligt synspunkt anbefales gjort.

Det vurderes, at man kan lave en korrektion af TN-data. På baggrund af

det foreliggende datamateriale kan man opstille en korrektionsmodel, som

med rimelig præcision kan beregne en middel-korrektionsfaktor til omreg-

ning mellem ON-koncentrationer oxideret med UV-metoden til autokla-

vemetoden. Der er dog risiko for at begå systematiske fejl på min. 7% (sva-

rende til næsten halvdelen af middelforskellen på 16%), som følge af af-

hængigheder til bl.a. salinitet, dybde og muligvis sæson. Analysen er ba-

seret på et begrænset datagrundlag, hvilket potentielt kan have konse-

kvenser, når korrektionen ekstrapoleres til andre tidsmæssige perioder el-

ler områder, som ikke er dækket af datasættet. Sikkerheden på de korrige-

rede ON- (og dermed TN-) data kan øges, såfremt der etableres et større

repræsentativt datasæt dækkende et helt år, som analyseres med både UV-

og autoklavemetoden.

En eventuel korrektion af TN-data målt med UV-metoden bør udføres ved

at korrigere ON-koncentrationen, som efterfølgende omregnes til en kor-

rigeret TN-koncentration ved at addere DIN-koncentrationen.

En korrektion af fosfor vil på baggrund af det eksisterende datamateriale

med den større variation i data vurderes at være for usikker til at være

meningsfuld.



Vurdering af om og i givet fald hvordan de konstaterede afvigelser har haft betyd-

ning for gennemførte NOVANA-rapporteringer, opgørelse af økologisk tilstand

og målbelastning i vandområdeplanerne, samt dataindberetninger til EU, ICES

m.fl.

Den manglende effektivitet af UV-oxidationsmetoden har betydning for

NOVANA-rapporteringerne, idet forbedringen i miljøtilstanden (beskre-

vet ved årsgennemsnit i TN-koncentrationer) siden 2010 er overvurderet

for både fjorde og åbne havområder. Mest konkret har det betydning i for-

hold til HELCOMs vurdering af miljøtilstanden i Kattegat, Bælthavet og

Øresund, hvor indikatoren ’Total nitrogen” antagelig vil skifte fra ”god”

til ”dårlig” tilstand efter en genberegning af data. Det vil dog ikke ændre

den samlede HELCOM-klassifikation, som i forvejen vurderer havområ-

derne til at være i ”dårlig” tilstand. En mulig underestimering af TN- og

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

TP-koncentrationer har ingen betydning for opgørelsen af økologisk til-

stand (sensu vandrammedirektivet), da TN og TP ikke indgår som indika-

tor i tilstandsklassifikationen. I forhold til beregninger af indsatsbehov og

målbelastning vurderes det, at afvigelserne pga. brug af UV-metoden er

uvæsentlige. Dette skyldes, at en eventuel underestimering af TN koncen-

trationer kun kan have betydning for TN indikatoren og da denne er base-

ret på 15-25 års data vil en underestimerig af max 3 års data være minimal.

Derudover bygger beregningerne på en række forskellige indikatorer og er

derfor relativt robuste over for eventuelle afvigelser i én af de anvendte

indikatorer.



Endelig bedes i vurderingerne indgå de anvendte analysemetoder i forhold til andre

landes (Sverige og Tyskland samt evt. Norge) analysemetoder for TN og TP.

Hele problemstillingen viser, at det er kritisk at anvende en optimal me-

tode for oxidation af organisk stof og dermed få en så komplet bestem-

melse af TN og TP som muligt. Gennemgangen af de anvendte metoder i

afsnit 4 viser, at Sverige og Tyskland også har haft problemer med meto-

deskift. Det er dog tydeligt på baggrund af gennemgangen, at Sverige hol-

der sig til autoklavemetoden, og at Tyskland også anvender metoder, som

giver en bedre oxidation end UV-metoden.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Forord og problemstilling

I naturlige vandprøver, som fx havvand, findes kvælstof og fosfor i opløst

form som uorganiske salte og bundet i organiske forbindelser. Endvidere fin-

des kvælstof og fosfor bundet i organiske partikler og adsorberet til overfla-

den af uorganiske partikler. Koncentrationer af begge stoffer er vigtige i vur-

deringer af miljøtilstanden og for forvaltning af akvatiske økosystemer i rela-

tion til næringsstoffer.

De uorganiske former kan relativt nemt måles. For kvælstof er det hovedsa-

gelig ammonium, nitrit og nitrat. Summen af disse benævnes DIN-koncentra-

tionen efter den engelske forkortelse for ”dissolved inorganic nitrogen”. For

fosfor er den uorganiske form ortofosfat, som benævnes DIP – ”dissolved in-

organic phosphorus”. Organisk bundet kvælstof og fosfor er vanskeligt at

måle, og standardmetoden for disse stoffer har derfor i mange år været, at

man oxiderer (ilter) alt organisk stof, således at alt kvælstof kommer over på

nitratform og fosfor på ortofosfat-form. Derefter analyseres prøverne for ni-

trat og fosfat, og resultatet benævnes total kvælstof (TN) og total fosfor (TP).

De oprindelige organisk bundne fraktioner (ON og OP) kan beregnes som

forskellen mellem den oprindelige DIN- eller DIP-koncentration og henholds-

vis TN- og TP-koncentrationerne i prøven.

En sand måling af TN og TP kræver en fuldstændig oxidation af ON og OP.

Det er i praksis ikke muligt, og TN- og TP-koncentrationer repræsenterer der-

for altid et minimumsestimat. I de fleste prøver, og med en korrekt gennem-

ført oxidation, kan man dog normalt nå bestemmelser, som er tæt på 100% af

de sande værdier.

Der findes forskellige metoder til oxidation, men i praksis har to været an-

vendt: oxidation ved opvarmning med et oxidationsmiddel (autoklaveme-

tode) og oxidation ved bestråling med ultraviolet lys (UV-metode). Ved op-

varmning med oxidationsmiddel kan man opnå en meget effektiv oxidation,

specielt ved at anvende skrappe oxidationsmidler, lang tid og høj temperatur.

For UV-metoden gælder, at den virker ved dels at excitere organiske stoffer,

som absorberer lys i UV-området, så molekylerne går i stykker, og dels ved at

der dannes frie iltradikaler, når vand UV-bestråles, som så oxiderer de orga-

niske stoffer. Endvidere kan man også ved UV-metoden tilsætte et oxidati-

onsmiddel. Også for UV-metoden gælder, at tid og intensitet af behandling

påvirker effektiviteten af oxidationen.

For begge metoder gælder, at en effektiv oxidation kan forøge omkostnin-

gerne, når analysen gennemføres i praksis (Eurofins 2014). Analyselaborato-

rier har derfor en udfordring i at reducere analyseomkostninger og dermed

prisen, uden at det påvirker effektiviteten af oxidationen og dermed analy-

sens kvalitet.

Effektiviteten af oxidationen afhænger af de typer af organiske stoffer, som

kvælstof og fosfor er bundet til. Det spænder fra let nedbrydelige stoffer som

aminosyrer og sukkerstoffer til komplekse humusforbindelser. Endvidere er

det sådan, at organiske stoffer i søer, men især i havet, naturligt er udsat for

UV-lys. Det er således velkendt, at en stor fraktion af de organiske stoffer ned-

brydes, når åvand strømmer ud en fjord. Det gælder især farvede forbindelser

(Stedmon et al. 2006; Markager et al. 2011). Der sker derfor en selektion, hvor

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

de stoffer, som absorberer lys, forsvinder, mens ikke-absorberende stoffer for-

bliver i vandet på vejen fra grundvand, over vandløb og søer til fjorde og åbne

marine områder (Massicotte et al. 2016).

Dette notat behandler den problemstilling, at de analyselaboratorier, som har

analyseret marine prøver i det nationale overvågningsprogram, har skiftet fra

at anvende autoklavemetoden til UV-metoden. Fra 2010 er alle prøver analy-

seret med UV-metoden ifølge Miljøstyrelsens oplysninger. Der er antagelig

også i en periode anvendt forkerte koder for den anvendte metode ved data-

indberetning til den nationale database, hvilket øger usikkerheden på vurde-

ring af konsekvenserne af forskelle i analysemetoder. ALS laboratoriet over-

tog fra 2016 opgaven med at analysere marine prøver for næringsstoffer fra

laboratoriet Eurofins, hvilket betød et skift i analysemetode for TP.

I dette notat vurderes den systematiske afvigelse, der er sket ved at anvende

UV-metoden frem for autoklavemetoden til oxidation af marine prøver i det

danske overvågningsprogram. Vurderingerne er foretaget på baggrund af et

datasæt på 50 prøver fra fjorde og åbne havområder indsamlet af Miljøstyrel-

sen i efteråret 2017, hvor prøverne er analyseret både med UV- og autoklave-

metoden. Endvidere er der udført en analyse af danske, svenske og tyske

overvågningsdata på stationer i Kattegat og Bælthavet. Datamaterialet dæk-

ker derfor ikke på systematisk vis sæsonmæssige variationer eller alle geogra-

fiske forskelle relateret til den komplekse hydrografi i de danske farvande.

I notatet vurderes mulighederne for at korrigere data og betydningen af for-

skellene i analyseresultaterne for vurdering af miljøtilstanden, både i forhold

til internationale aftaler og i forhold til forvaltning af danske marine områder.

Notatet er bestilt af Miljøstyrelsen den 21. december 2017 med planlagt leve-

ring den 23 januar 2018. Bestillingen er vedlagt som bilag (Bilag 1). Tidfrist for

aflevering blev efterfølgende forlænget til 19/2 2018. Konkret ønsker Miljø-

styrelse svar på følgende spørgsmål:



Vurdering af om de gennemførte parallelanalyser giver et retvisende billede af,

hvorvidt der kan forventes afvigelser på analyseresultater, samt i givet fald stør-

relsen af afvigelser mellem de to oxidationsmetoder "autoklavering" og "UV-me-

toden".



Vurdering af, hvorvidt der fagligt kan opstilles modeller for korrektion af analyse-

data og om dette ud fra et fagligt synspunkt anbefales gjort.



Vurdering af om og i givet fald hvordan de konstaterede afvigelser har haft betyd-

ning for gennemførte NOVANA-rapporteringer, opgørelse af økologisk tilstand

og målbelastning i vandområdeplanerne, samt dataindberetninger til EU, ICES

m.fl.



Endelig bedes i vurderingerne indgå de anvendte analysemetoder i forhold til an-

dre landes (Sverige og Tyskland samt evt. Norge) analysemetoder for TN og TP.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Analyse af data, hvor autoklave og UV-

metoder er anvendt på samme prøve

For at undersøge eventuelle systematiske afvigelser mellem de to forskellige

metoder for oxidation af TN- og TP-prøver har Miljøstyrelsen indsamlet prøver,

hvor der er kørt parallelanalyser med autoklave- og UV-oxidation, udført af

tre forskellige laboratorier. Da der er tale om bestemmelser udført på de samme

prøver, behøver den statistiske analyse ikke tage højde for de store variationer

i rum og tid, som kendetegner koncentrationerne af næringsstoffer i de danske

havområder.

2.1

Datagrundlag

Datagrundlaget er 50 vandprøver, som er analyseret parallelt af Miljøstyrel-

sen og laboratorierne ALS og Eurofins. De 50 prøver er indsamlet mellem 12.

oktober og 1. november 2017 i forskellige fjorde og åbne havområder fra dyb-

der mellem 1 og 44 meter. For disse prøver gælder, at de tre laboratorier har

analyseret delprøver af den samme vandprøve med en eller begge de to me-

toder for oxidering af organisk stof.

Tabel 2.1

giver en oversigt over de an-

vendte metoder. Af tabellen ses, at det kun er Eurofins, som for kvælstof har

anvendt begge oxidationsmetoder, og at intet laboratorium har anvendt begge

oxidationsmetoder for fosfor. Dette betyder, at for kvælstof vil en sammenlig-

ning af oxidationsmetoder kun være bestemt på basis af målinger fra Euro-

fins, hvis forskel mellem laboratorier skal kunne udelukkes. Tilsvarende kan

en sammenligning af oxidationsmetoder for fosfor ikke foretages uafhængigt

af en eventuel laboratorieeffekt.

Tabel 2.1.

Oversigt over analyser og oxidationsmetoder anvendt på prøverne.

Laboratorium

Miljøstyrelsen

Eurofins

ALS

Total kvælstof (TN)

Autoklave

UV-metode

Total fosfor (TP)

Autoklave

UV-metode

Vandprøverne til sammenligning af metoder er indsamlet i forbindelse med

den almindelige overvågning, og derfor er vandprøverne også analyseret for

uorganiske næringssalte og klorofyl, foruden at vandprøvens salinitet og tem-

peratur er bestemt. De uorganiske næringssalte er imidlertid ikke analyseret

af de tre laboratorier hver for sig, men kun af Eurofins.

Da en eventuel effekt af oxidationsmetode kun påvirker den organiske frak-

tion i vandprøven, har vi beregnet koncentrationer af organisk kvælstof (ON)

og organisk fosfor (OP) ved at trække den uorganiske fraktion fra total kon-

centrationerne. Selvom oxidationsmetoden kun påvirker den organiske frak-

tion, vil en evt. underestimering af ON og OP medføre en underestimering af

TN og TP, og resultaterne af de statistiske analyser vil derfor også blive præ-

senteret for TN og TP.

2.2

Statistisk analyse

Formålet med den statistiske analyse er: 1) at undersøge om der er systemati-

ske forskelle forårsaget af oxidationsmetoden, når der tages højde for alle an-

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

dre variationer i datasættet, og 2) at undersøge hvordan en eventuel systema-

tisk forskel varierer over forskellige koncentrationsniveauer og i relation til

andre faktorer.

2.2.1 Fordeling til beskrivelse af næringsstofkoncentrationer

Vi antager, at koncentrationerne af TN, ON, TP og OP er lognormal-fordelte.

Lognormal-fordelte variable adskiller sig fra normal-fordelte variable ved, at

variationen i fordelingen er skala-afhængig, dvs. at standardafvigelsen øges

proportionalt med middelværdien. Lognormal-fordelingen benyttes ofte til at

beskrive koncentrationer af næringsstoffer og andre miljøvariable, som kun

antager positive værdier.

For at bekræfte antagelsen om lognormal-fordeling anvendes typisk et range-

mean plot, hvor variationsbredden (range) afbildes mod middelværdien (mean)

for grupper af observationer i fordelingen. I en normalfordeling er variations-

bredden uafhængig af middelværdien, hvorimod variationsbredden vokser

proportionalt med middelværdien for lognormal-fordelingen.

De 50 parallelle vandprøver af TN og TP kan deles op i grupper 1) for dob-

beltbestemmelser (2 observationer pr. prøve, laboratorium og oxidationsme-

tode) og 2) for vandprøver analyseret med samme oxidationsmetode (typisk

2-4 observationer for hver vandprøve, som er analyseret af 1-2 laboratorier

med dobbeltbestemmelse). Den første opdeling beskriver variationen på dob-

beltbestemmelser, og den anden opdeling inkluderer desuden variationen mel-

lem laboratorier med samme oxidationsmetode.

2.2.2 Systematisk effekt af oxidationsmetode

I denne analyse vil vi undersøge størrelsen af de forskellige variationer, som

påvirker næringsstofkoncentrationerne (angivet med variablen

��)

ved en va-

riansanalyse (mixed model). Variationerne, som indgår i analysen, er den na-

turlige variation mellem prøverne, variation mellem laboratorier, variation

mellem oxidationsmetode og variation på dobbeltbestemmelse (residual va-

riation).

For kvælstof (TN og ON) kan variationerne beskrives ved følgende model for

de log-transformerede koncentrationer:

log(��

��

) = ��

��

+ ��

��

+ ��

��

+ ��

��

× ��

��

+ ��

��

× ��

��

+ ��

��

Lig. 2.1

Hvor

��

beskriver variationen mellem de 50 vandprøver,

��

beskriver

systematiske forskelle mellem laboratorier,

��

beskriver forskellen mellem de

to oxidationsmetoder,

��

× ��

��

beskriver den tilfældige variation mellem

laboratorier, når der er taget højde for den systematiske effekt,

��

× ��

��

beskriver den tilfældige variation mellem de to oxidationsmetoder, når der er

taget højde for den systematiske effekt, og

��

beskriver usikkerheden på

dobbeltbestemmelser. Da alle tre laboratorier har udført dobbeltbestemmelser,

har vi desuden undersøgt, om variansen på dobbeltbestemmelserne er

forskellige for de tre laboratorier. De systematiske forskelle mellem laboratorier

og oxidationsmetoder er bestemt ud fra parameterestimaterne af

��

Disse forskelle kan udtrykkes som relative forskelle ved tilbagetransformering,

da analysen er udført på log-transformerede koncentrationer.

For fosfor (TP og OP) kan variationerne beskrives ved følgende model for de

log-transformerede koncentrationer:

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

log(��

��

) = ��

��

+ ��

��

+ ��

��

× ��

��

+ ��

��

Lig. 2.2

Hvor

��

beskriver variationen mellem de 50 vandprøver,

��

beskriver syste-

matiske forskelle mellem laboratorier og oxidationsmetode,

��

× ��

��

beskriver

den tilfældige variation mellem laboratorier og oxidationsmetode, når der er

taget højde for den systematiske effekt, og

��

beskriver usikkerheden på

dobbeltbestemmelser. For fosforkoncentrationerne er det ikke muligt at adskille

effekten af laboratorier fra effekten af oxidationsmetode, da hvert laboratorium

kun har anvendt en oxidationsmetode (tabel

2.1).

Ydermere er der ikke udført

dobbeltbestemmelser for alle tre laboratorier og derfor antages det, at

variansen på dobbeltbestemmelser er ens for de tre laboratorier. De systematiske

forskelle mellem laboratorier er bestemt ud fra parameterestimaterne af

��

Disse forskelle kan udtrykkes som relative forskelle ved tilbagetransformering,

da analysen er udført på log-transformerede koncentrationer.

2.2.3 Relation mellem UV- og autoklave-oxidation

I modsætning til den forrige analyse, hvor vi antog, at alle effekter var lineære

(dvs. en relativ forskel mellem UV- og autoklave-oxidation som følge af log-

transformationen), vil vi i denne analyse undersøge, om forskellen mellem de

to oxidationsmetoder afhænger af måleværdien eller er konstant over hele

målespektret.

Vi har derfor sammenstillet observationer målt med de to oxidationsmetoder

ved for hver prøve at beregne 1) gennemsnit over alle målinger foretaget med

hver af de to oxidationsmetoder eller 2) gennemsnit over alle målinger fore-

taget af Eurofins med hver af de to oxidationsmetoder. I den første tilgang

opnås mere præcise estimater af koncentrationer, idet der indgår flere obser-

vationer i gennemsnittet, men en eventuel systematisk forskel mellem labora-

torier vil kunne påvirke analysen. I den anden tilgang vil der være lidt større

usikkerhed på observationerne, men til gengæld er der ingen laboratorieef-

fekt, da der kun indgår målinger fra Eurofins.

Vi anvender en fleksibel ikke-lineær model til at beskrive relationen mellem

målinger foretaget med UV-oxidation (��

��

) og autoklave-oxidation (��

��

= �� + �� ∙ ��

��

Lig. 2.3

Modellen indeholder en potensfunktion samt et skæringspunkt (��), og vi te-

ster, om der er et offset i relationen (��

= 0),

om de to metoder skalerer med

hinanden (��

= 1)

og om potensfunktionen er lineær (��

= 1)

ved hjælp af en

likelihood ratio test. Modellen reduceres, såfremt disse parametre ikke afviger

signikant fra de testede værdier for at opnå en simpel model med så få para-

metre som muligt. Da der er usikkerhed forbundet med både

��

antager vi, at begge variable er lognormal-fordelte. Parametrene estimeres

ved maximum likelihood estimation, hvor

log⁡ ��

��

)

log⁡ ��

��

)

er nor-

(

malfordelte variable (ortogonal regression).

2.3

Resultater og diskussion

De 50 parallelle vandprøver er koblet med målinger af uorganiske nærings-

salte, men for en af prøverne var de uorganiske næringssalte ikke analyseret

(Roskilde Fjord), og derfor er analyserne af ON og OP baseret på 49 observa-

tioner.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

De uorganiske næringssalte, som ikke er påvirket af oxidationsmetoden, ud-

gør en varierende del af TN og TP. Således udgør DIN mellem 1% og 88% af

TN, og DIP udgør mellem 5% og 93% af TP. Den uorganiske fraktion udgør

typisk en større andel i vandprøver, som er taget under springlaget.

2.3.1 Fordelingsantagelse

For både TN og TP er der en klar tendens til øget variation med middelni-

veauet på både dobbeltbestemmelser og for prøver analyseret af forskellige

laboratorier med samme oxidationsmetode (figur

2.1).

Den stigende variati-

onsbredde med middelniveauet bekræfter derfor antagelsen om lognormal-

fordeling for både TN og TP.

100

Range (µg L

-1

)

dobbelt-

bestemmelser

MST autoklave

ALS UV

Eurofins Autoklave

Eurofins UV

Range (µg L

-1

)

dobbelt-

bestemmelser

MST autoklave

ALS UV

Eurofins Autoklave

100

1000

Mean (µg L

-1

)

10000

100

Mean (µg L

-1

)

1000

100

dobbelt-

bestemmelser

Autoklave

dobbelt-

bestemmelser

Autoklave

Range (µg L

-1

)

Range (µg L

-1

)

100

1000

Mean (µg L

-1

)

10000

100

Mean (µg L

-1

)

1000

Figur 2.1.

Variationsbredde mod middelværdi for grupperinger af parallelprøver. A) og B) dobbeltbestemmelser af TN og TP

opdelt på forskellige laboratorier og oxidationsmetoder. C) og D) laboratorier og dobbeltbestemmelser af TN og TP opdelt på

forskellige oxidationsmetoder. Bemærk at der ikke er dobbeltbestemmelser for TP målt af Eurofins, og derfor er variations-

bredden 0 for all prøver.

2.3.2 Systematisk effekt af oxidationsmetode

For både TN og ON var der signifikant forskel mellem vandprøver (��

��

; P<0,0001),

laboratorier (��

��

; P<0,0001) og oxidationsmetoder (��

��

; P<0,0001). Forskellen

mellem laboratorier skyldtes hovedsageligt, at TN-målinger fra ALS og Euro-

fins var hhv. 3,8% og 3,0% lavere end MST’s målinger (tabel

2.2),

hvorimod

der ingen signifikant forskel var mellem ALS og Eurofins. Tilsvarende var ON

for ALS og Eurofins 6,0% og 4,0% lavere end MST, uden at der var signifikant

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

forskel mellem ALS og Eurofins. Selvom ALS og MST har anvendt forskellige

oxidationsmetoder, kan vi godt sammenligne deres niveauer, når vi tager

højde for forskellen mellem de to oxidationsmetoder, som er bestemt ud fra

Eurofins’ målinger. Disse viser en signifikant systematisk underestimering på

13% for TN og 17% for ON.

Tabel 2.2.

Systematiske forskelle mellem laboratorier og oxidationsmetoder for kvælstof (lig.

2.1)

og fosfor (lig

2.2).

Forskellen

er angivet for de log-transformerede værdier (øverst, rød) og som procentuel afvigelse med tilhørende P-værdi.

Systematisk effekt Forskel

Laboratorier

ALS vs. Eurofins

ALS vs. MST

Eurofins vs. MST

Oxidationsmetode

UV vs. autoklave

-0,0087 (±0,0075)

-0,9% (P=0,2502)

-0,0387 (±0,0080)

-3,8% (P<0,0001)

-0,0300 (±0,0071)

-3,0% (P<0,0001)

-0,1387 (±0,0116)

-0,0211 (±0,0118)

-2,1% (P=0,0777)

-0,0617 (±0,0123)

-6,0% (P<0,0001)

-0,0406 (±0,0110)

-4,0% (P=0,0004)

-0,1859 (±0,0166)

0,0336 (±0,0281)

3,4% (P=0,2348)

0,0804 (±0,0274)

8,4% (P=0,0042)

0,0468 (±0,0281)

4,8% (P=0,0995)

0,0854 (±0,0602)

8,9% (P=0,1597)

0,1400 (±0,0581)

15,0% (P=0,0179)

0,0545 (±0,0603)

5,6% (P=0,3679)

-13,0% (P<0,0001) -17,0% (P<0,0001)

Spredningen på de tilfældige effekter i modellerne beskriver, hvor stor varia-

tion der er på forskellene i

tabel 2.2

mellem de enkelte vandprøver samt vari-

ationen på dobbeltbestemmelser. For eksempel er den systematiske under-

estimering for TN og ON henholdsvis 13% og 17% i middel, men for enkelt-

prøver varierer disse forskelle med ±5,7% og ±8,2% (tabel

2.3).

Dette betyder,

at underestimeringen på enkeltprøver typisk (95% konfidensniveau) ligger

mellem 7,1% og 18,4% for TN, og tilsvarende mellem 8,1% og 25% for ON.

Tilsvarende ses, at der er en tilfældig variation på enkeltprøver mellem labo-

ratorier med oxidationsmetode på ±3,4% for TN og ±5,3% for ON. Sprednin-

gen på dobbeltbestemmelser var størst for ALS og Eurofins (±2,4-2,8% for TN

og ±3,1-4,6% for ON), hvorimod den var noget lavere for MST (~±1%).

Tabel 2.3.

Spredning for de tilfældige variationer i

lig. 2.1

2.2

angivet som absolutte værdier for log-transformerede obser-

vationer og som relative variationer (i parentes). For TP og OP kunne den tilfældige variation i forskellen mellem oxidationsme-

toder og laboratorie-specifik variation på dobbeltbestemmelser ikke estimeres.

Tilfældig effekt

Laboratorier

Oxidationsmetode

Dobbeltbestemmelse

Notation

��

× ��

��

)

̂(��

��

× ��

��

)

̂(��

��

)

��

̂(��

��

)

��

̂(��

��

)

��

̂(��

0,0331 (3,4%)

0,0555 (5,7%)

0,0276 (2,8%)

0,0234 (2,4%)

0,0081 (0,8%)

0,0517 (5,3%)

0,0790 (8,2%)

0,0452 (4,6%)

0,0306 (3,1%)

0,0104 (1,0%)

0,0534 (5,5%)

0,1400 (15,0%)

0,1317 (14,1%)

0,2701 (31,0%)

Der var, som forventet, signifikant forskel mellem vandprøver for både TP og

OP (P<0.0001), hvorimod variationen mellem laboratorier (som også inklude-

rer skift mellem UV og autoklave) var på grænsen til at være signifikant (P =

0,0156 for TP og P = 0,0575 for OP). ALS målte de højeste TP-koncentrationer,

som var 3,4% højere end Eurofins og 8,4% højere end MST (tabel

2.2).

Eurofins

målte også højere koncentrationer end MST (4,5 højere). Samme mønster viste

sig for OP.

Udover de systematiske forskelle, var der også stor forskel mellem laborato-

rierne på enkeltprøver. Forskellen mellem laboratorier for en enkelt vand-

prøve varierede typisk ±14,1% for TP og ±31,0% for OP (tabel

2.3).

Variationen

på dobbeltbestemmelser var også høj for både TP og OP, henholdsvis 5,5% og

15,0%. Det er værd at bemærke, at TP-målinger er underlagt væsentlig større

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

variationer end TN-målinger (tabel

2.3).

Det er også værd at bemærke, at de to

laboratorier, som har anvendt autoklave til oxidation, måler de laveste TP-

koncentrationer.

2.3.3 Relation mellem UV- og autoklave-oxidation

Umiddelbart var der god overensstemmelse mellem de to oxidationsmetoder

for TN på tværs af de 50 parallelprøver (figur

2.2).

Det skal dog bemærkes, at

TN-prøverne spænder fra under 200 µg L

-1

til næsten 6.000 µg L

-1

, dvs. en fak-

tor >30 i variationsbredde. Derimod varierer ON kun fra omkring 140 µg L

-1

til 900 µg L

-1

, dvs. omkring en faktor 5.

Den ikke-lineære model (lig.

2.3)

kunne ikke reduceres til en mere simpel

funktionel formel for TN, hverken for gennemsnit over alle laboratorier eller

for gennemsnit af Eurofins’ målinger (figur

2.2).

De estimerede relationer for

TN viste et kurvet forløb på log-log skala, hvor afvigelsen var 10-12% for de

laveste TN-koncentrationer, stigende til en maks. afvigelse på 16-17% om-

kring 500 µg L

-1

, hvorefter afvigelsen gradvist faldt mod 0% for de højeste TN-

værdier. De høje TN-målinger indeholder en stor andel af uorganisk kvælstof,

og derfor bliver den relative afvigelse mindre. Dette understreger, at forskel-

len i målt TN mellem de to metoder afhænger af mængden af uorganisk kvæl-

stof, som varierer meget henover året, mellem områder og i dybden. For at

reducere denne følsomhed er det derfor mere relevant at se på ON.

10000

TN dobbelt-bestemmelser

- alle laboratorier

ON dobbelt-bestemmelser

- alle laboratorier

1000

Organisk N UV (µg L

-1

)

TN UV (µg L

-1

)

1000

= 36,0 + 0,393 TN

AK1,11

s(TN

) = ±7,7%

s(TN

)= ±8,2%

= 0,805 ON

s(ON

) = ±12,5%

s(ON

)= ±12,5%

100

1000

TN autoklave (µg L

-1

)

10000

100

1000

Organisk N autoklave (µg L

-1

)

10000

TN dobbelt-bestemmelser

- kun Eurofins

Organisk N UV (µg L

-1

)

ON dobbelt-bestemmelser

- kun Eurofins

TN UV (µg L

-1

)

1000

= 0,830 ON

s(ON

) = ±12,4%

s(ON

)= ±12,4%

= 44,1 + 0,347 TN

AK1,12

s(TN

) = ±7,6%

s(TN

)= ±8,3%

100

1000

TN autoklave (µg L

-1

)

10000

100

1000

Organisk N autoklave (µg L

-1

)

10000

Figur 2.2.

Relationer for TN- og ON-koncentrationer bestemt med henholdsvis autoklave- og UV-oxidation. Relationen er

baseret på gennemsnit over alle laboratorier (A og C) og gennemsnit over Eurofins (B og D). De estimerede relationer og

spredningen omkring relationen for begge variable er angivet i graferne. Den stiplede linje angiver 1:1 relationen mellem UV-

og autoklavemetoden.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

For ON var skæringspunktet (��) og potensen (��) i den ikke-lineære model (lig.

2.3)

ikke signifikant forskellig fra henholdsvis 0 og 1, hvilket betyder, at mo-

dellen kunne reduceres til en proportional relation mellem de to oxidations-

metoder (figur

2.2).

Dette var tilfældet for gennemsnit over alle laboratorier

såvel som gennemsnit over kun Eurofins’ målinger. ON-målinger med UV-

oxidation var 19,5% lavere end målinger med autoklave-oxidation, når de to

metoder sammenlignes ved gennemsnit over alle laboratorier (figur

2.2B).

Derimod var forskellen kun 17,0%, hvis udelukkende Eurofins’ målinger blev

brugt (figur

2.2D).

Denne forskel mellem disse to relationer for ON skyldes, at

MST, som anvendte autoklave-oxidation, målte højere TN og ON end de to

andre laboratorier, når der var taget højde for en systematisk effekt af oxida-

tionsmetode (tabel

2.2).

Da relationen mellem de to metoder (lig.

2.3)

er baseret

på gennemsnit, vil relationen for alle laboratorier (figur

2.2B)

også indeholde

en laboratorie-specifik effekt, og derfor er estimatet på 17% lavere ON-målin-

ger med UV-oxidation mest korrekt.

Variationen for enkeltprøver omkring relationen for ON var ±12,4% (figur

2.2D)

for begge oxidationsmetoder. En enkelt observation afveg væsentlig fra

den generelle tendens (prøve 43 på station VEJ0006870 og dybden 19,4 m). I

denne bundprøve blev der målt forholdsvis høje koncentrationer af både am-

monium og nitrat, hvilket resulterede i lave ON-koncentrationer for begge

oxidationsmetoder. Det skal dog bemærkes, at der også var stor forskel på

målingerne af TN i denne prøve, og at den ene af Eurofins’ dobbeltbestem-

melser var meget større end den anden og også meget større end MST’s må-

linger. Udelades denne observation fra analysen finder vi, at ON målt efter

UV-oxidation var 16,0% lavere end målinger med autoklave-oxidation. End-

videre blev variationen for enkeltprøver omkring relationen for ON reduceret

til ±8,7%. Denne variation for ON er lidt større end den tilsvarende variation

for TN

(figur 2.2A

C).

Den aktuelle variation mellem UV- og autoklaveme-

toden for TN vil afhænge af DIN-koncentrationen. Eksempelvis vil variatio-

nen blive ±4,4% på en prøve, hvor DIN udgør 50% af TN.

Der var umiddelbart større forskel imellem de to oxidationsmetoder for TP

og OP (figur

2.3).

De 50 parallelprøver varierede fra 10 til 1.000 µg L

-1

for TP,

dvs. en faktor 100, hvorimod OP ikke var højere end omkring 100 µg L

-1

sva-

rende til en faktor 10 i variationsbredde. Der blev generelt målt højere TP-

koncentrationer ved UV-oxidation for de lave værdier og højere TP-koncen-

trationer ved autoklave-oxidation for de høje TP-koncentrationer.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

1000

Organisk P UV (µg L

-1

)

dobbelt-

bestemmelser

dobbelt-

bestemmelser

TP UV (µg L

-1

)

100

= 2,73 + TP

s(TP

) = ±21,5%

s(TP

)= ±25,7%

= 2,42 + OP

s(OP

) = ±48,9%

s(OP

)= ±57,4%

100

TP autoklave (µg L

-1

)

1000

100

Organisk P autoklave (µg L

-1

)

1000

Figur 2.3.

Relationer for TP- og OP-koncentrationer bestemt med henholdsvis autoklave- og UV-oxidation. De estimerede

relationer og spredningen omkring relationen for begge variable er angivet i graferne. Det skal bemærkes, at målinger med

henholdsvis UV og autoklave er udført af forskellige laboratorier.

For både TP og OP kunne den ikke-lineære relation (lig.

2.3)

reduceres til, at

de to metoder måler ens, dog med en nulpunktsforskydning på 2,73 µg L

-1

2,42 µg L

-1

for henholdsvis TP og OP (figur

2.3).

Dette medfører, at fosforkon-

centrationer målt med UV-oxidering var ~2,5 µg L

-1

højere over hele variati-

onsområdet. Vurderet ud fra disse relationer, vil de to metoder måle ens ved

høje TP-koncentrationer. Sammenhængen mellem de to metoder er dog over-

raskende, idet vi ville forvente en generel lavere oxidation med UV-metoden

end med autoklave, og vi ville ikke forvente at UV-oxidation kunne give hø-

jere TP-koncentrationer end autoklave-oxidation medmindre, at TP-målin-

gerne med autoklave-oxidation er systematisk for lave. Det er muligt, at denne

nulpunktsforskydning skyldes forskelle mellem laboratorier, idet vi ikke kan

adskille effekten af oxidationsmetode fra laboratorie-specifikke forhold. End-

videre er der udfordringer med håndtering af klorgas ved måling af TP efter

autoklave-oxidation (afsnit

4),

og en manglende håndtering af denne udfor-

dring vil generelt give for lave TP-koncentrationer, specielt for prøver med

høj salinitet. Dette vil blive diskuteret senere.

Variationen omkring de estimerede relationer er stor, hvilket betyder en for-

holdsvis ringe overensstemmelse mellem de to metoder på enkeltprøver. For

TP er variationen på enkeltprøver omkring ±25% og for OP er den tilfældige

variation mellem enkeltprøver omkring ±50%. Den store variation mellem de

to oxidationsmetoder på enkeltprøver medfører, at de estimerede relationer

ikke er bestemt med stor sikkerhed, hvilket betyder, at en omregning fra UV-

oxidationsmetode til autoklave-oxidationsmetode vil give stor usikkerhed,

både på enkeltmålinger (pga. den store variation på enkeltprøver) og på større

datasæt (pga. usikkerheden i relationen).

2.3.4 Påvirkning fra andre faktorer

For at vurdere om de etablerede relationer mellem UV- og autoklave-oxida-

tion er generelle, har vi undersøgt 1) residualerne fra regressionsanalysen af

ON fra Eurofins (figur

2.2D)

med udeladelse af den ene afvigende observation

(station VEJ0006870 på dybden 19,4 m) og 2) residualerne fra analysen af OP

(figur

2.3B).

Residualerne er undersøgt i relation til dybde, salinitet og kloro-

fylkoncentration, som er målt i prøver indsamlet samtidig med parallelprø-

verne. En potentiel relation til dybde er undersøgt for de to stationer, hvor der

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

blev taget flere (>2) vandprøver på forskellige dybder (station 431 i Øresund

og station 444 i Arkonahavet).

Residualerne fra regressionsanalysen af ON (figur

2.2D)

viste ingen klar sam-

menhæng med klorofyl (data ikke vist), men derimod var der en tydelig sy-

stematisk effekt af salinitet foruden en dybdeafhængighed på station 444 i Ar-

konahavet (figur

2.4).

Disse residualrelationer indikerer tydeligt, at forskellen

mellem de to oxidationsmetoder ikke er en konstant faktor, men at den af-

hænger af andre faktorer. Salt forventes ikke at have en direkte indflydelse på

forskellen mellem de to metoder ved analyser af N, men salt er en indikator

for den vandmasse, hvorfra prøven er udtaget. På samme måde er dybde en

indikator for forskellige vandmasser i de åbne indre danske farvande, for-

uden at produktionen af organisk materiale varierer med dybden. Forskellen

i typen af ON i de forskellige vandmasser kan derfor være en forklaring på

forskellen i residualerne mellem de to metoder for station 444 (figur 2.4 B,D).

30%

20%

Residual Organisk N UV

ON dobbelt-bestemmelser

- kun Eurofins

Other stations

Arkona (444)

Ven (431)

Residual Organisk N UV

30%

20%

10%

-10%

ON dobbelt-bestemmelser

- kun Eurofins

y= 0,156-0.0029x

P=0,0050

10%

-10%

-20%

-30%

Other stations

y= 0,112-0,0056x

P=0,0003

s(ON

) = ±7,5%

-20%

-30%

Salinitet

Dybde (m)

Arkona (444)

Ven (431)

30%

Residual Organisk N autoklave

ON dobbelt-bestemmelser

- kun Eurofins

Other stations

Arkona (444)

Residual Organisk N autoklave

30%

20%

10%

-10%

-20%

-30%

Other stations

Arkona (444)

Ven (431)

20%

10%

-10%

-20%

-30%

Ven (431)

y= -0,136-0.0024x

P=0,0039

y= 0,112-0,0056x

P=0,0007

s(ON

) = ±8,0%

ON dobbelt-bestemmelser

- kun Eurofins

Dybde (m)

Salinitet

Figur 2.4.

Residualer fra relationen mellem ON med UV- og autoklave-oxidation (fig.

2.2D)

mod salinitet og dybde. A-B)

residualer for ON med UV-oxidation og C-D) residualer for ON med autoklave-oxidation. To stationer med dybdeprofiler er

fremhævet. Regressionerne i A) og C) er baseret på alle data, og regressionerne i B) og D) er kun for station 444 i Arkonaha-

vet. Bemærk at residualerne fra de to oxidationsmetoder er næsten ens med modsat fortegn.

Analysen af ON-residualerne mod salinitet viser, at proportionaliteten mel-

lem de to oxidationsmetoder typisk varierer fra -7% for prøverne med høj sa-

linitet til +7% for prøver med en salinitet omkring 8-10. Afvigelsen kan til og

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

med være op til 10% for prøver med salinitet tæt på 0, men dette er mere usik-

kert, da der kun er en enkelt vandprøve med så lav salinitet. Dybdeprofilen

på station 431 i Øresund indikerede en systematisk forskel på op til 12% mel-

lem overflade- og bundvand. Salinitet er en indikator for vandmassens ophav

og alder og dermed også en indikator for omsætteligheden af det organiske

stof i prøven. Salinitet kan dog ikke entydigt benyttes til at identificere en

vandmasses ophav for alle danske vandområder, da der ud over en gennem-

gående salinitetsgradient fra udvekslingen af vand fra Østersøen med vand

fra Nordsøen findes en masse lokale gradienter, hvor ferskvand med en an-

den ON-signatur udveksles med en vandmasse for de åbne farvande. Derud-

over kan dybden have betydning for både produktionen af ”frisk” organisk

stof og UV-nedbrydning af organisk stof. Vores analyser af residualerne indi-

kerer, at UV-oxidation i middel giver 16% lavere ON-koncentrationer, men at

denne faktor kan variere systematisk fra omkring 9% til 23% over salinitet fra

8-10 op til 32. Derudover vil der på enkeltprøver være en tilfældig variationer

på ±7-8%.

Residualerne fra regressionsanalysen af OP (figur

2.3B)

viste ingen klar sam-

menhæng med klorofyl (data ikke vist), men derimod var der en tydelig sy-

stematisk effekt af salinitet foruden en dybdeafhængighed på station 431 i

Øresund (figur

2.5).

Derimod var der ikke nogen dybdeafhængighed på sta-

tion 444 i Arkonahavet, hvor salinitetsforskellen over dybden er mindre. Sam-

menlignet med residualerne for ON, så er residualerne for OP 5-10 gange

større. Hvis forskellen mellem de to metoder hovedsageligt skyldes mang-

lende oxidation af organisk materiale, så kunne vi forvente sammenlignelige

relationer mellem de to metoder og afvigelser i samme størrelsesorden. End-

videre er relationerne til salinitet modsatrettede for ON og OP. For ON måles

der relativt mindre med UV-oxidation for stigende salinitet (negativ hæld-

ning i

figur 2.4A),

hvorimod der måles relativt mere med UV-oxidation for OP

med stigende salinitet (positiv hældning i

figur 2.5A).

Der er derfor tale om

forskellige mekanismer, som styrer forskellen mellem UV- og autoklave-oxi-

dation, i relation til salinitet.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

150%

OP dobbelt-bestemmelser

Other stations

Arkona (444)

Residual Organisk P UV

150%

OP dobbelt-bestemmelser

100%

Residual Organisk P UV

100%

y= -0,363+0.0376x

P=0,0014

50%

Ven (431)

50%

Other stations

-50%

y= -0,619+0,0451x

P<0,0001

s(OP

) = ±34,7%

Arkona (444)

Ven (431)

-100%

Salinitet

-100%

Dybde (m)

100%

Residual Organisk P autoklave

OP dobbelt-bestemmelser

Residual Organisk P autoklave

100%

80%

OP dobbelt-bestemmelser

Other stations

Arkona (444)

Ven (431)

50%

60%

40%

20%

-20%

-40%

-60%

y= 0,403-0.0279x

P=0,0132

-50%

Other stations

Arkona (444)

Ven (431)

y= 0,614+0,0270x

P<0,0001

s(OP

) = ±38,9%

-80%

-100%

Salinitet

Dybde (m)

Figur 2.5.

Residualer fra relationen mellem OP med UV- og autoklave-oxidation (fig.

2.3B)

mod salinitet og dybde. A-B)

residualer for OP med UV-oxidation og C-D) residualer for OP med autoklave-oxidation. To stationer med dybdeprofiler er

fremhævet. Regressionerne i A) og C) er baseret på alle data og regressionerne i B) og D) er kun for station 431 i Øresund.

Selvom de to oxidationsmetoder er anvendt på forskellige laboratorier, og en

eventuel forskel imellem koncentrationer målt med de to metoder derfor

kunne skyldes forskel mellem laboratorier, så er det usandsynligt, at en labo-

ratorieforskel skulle være afhængig af salinitet. Udviklingen af klorgas under

autoklavering vil dog forventes at være højere pga. det højere indhold af klo-

rid i prøver med høj salinitet (normalt tiltagende med dybden). Den særpræ-

gede relation mellem de to oxidationsmetoder (figur

2.3),

hvor der for lave

OP-koncentrationer måles højere værdier ved UV-oxidation, kunne indikere,

at der kan være problemer med autoklave-oxidationsmetoder for TP, specielt

for høje saliniteter (figur

2.5A).

Forskellen mellem de to metoder varierer fra -

30% til 60% i salinitetsintervallet fra 8 til 32.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Analyse af dansk, svenske og tyske data

for Kattegat og Bælthavet

For at undersøge eventuelle systematiske afvigelser mellem de forskellige

metoder for oxidation af TN- og TP-prøver på et større datasæt, er målinger

fra det danske overvågningsprogram sammenlignet med tilsvarende analyser

foretaget af svenske og tyske institutioner.

Der er ikke foretaget nogen sammenligning med norske data fra IMR, da der

er meget begrænset overlap mellem overvågningsstationer i Skagerrak. Siden

introduktionen af UV-oxidation af TN-/TP-prøver i Danmark (omkring 2010)

er der indsamlet et fåtal af prøver af Miljøstyrelsen i den centrale del af

Skagerrak. Tilsvarende har IMR kun indsamlet et fåtal af prøver på de to kyst-

stationer ved Hirtshals, som er overvåget regelmæssigt siden 2010 (NOR7715

og NOR7725). Derfor er datagrundlaget ikke stort nok til at foretage en sam-

menligning af niveauerne for TN og TP i danske og norske prøver. Dette

skyldes, at der ikke er tale om parallelprøver, og der er derfor behov for et

stort antal prøver på de samme stationer for at kunne bestemme middelniveau-

erne.

3.1

Datagrundlag

Danmark, Sverige og Tyskland har i regi af HELCOM en række overvågnings-

stationer, som dækkes af landene i fællesskab. Analysen er derfor begrænset til

27 stationer i de åbne indre farvande såvel som Arkona og Bornholm bassin-

erne, hvor der findes data fra mindst to lande.

Danske vandkemidata er udtrukket fra ODA. Stationerne i de åbne farvande

blev hovedsageligt overvåget af Danmarks Miljøundersøgelser (DMU) frem til

februar 2010, hvorefter Miljøstyrelsen overtog denne del af overvågningen.

DMU har anvendt autoklave til oxidation af TN-/TP-prøver igennem hele

perioden. DMU havde dog erkendte problemer med TN-analysen før 1998,

hvorfor der ikke er TN-data fra før 1998.

Derudover er der også indsamlet prøver af amter/regionale miljøcentre før

2010 på stationerne ved Læsø Rende (403), Ålborg Bugt (409), Gniben (925),

Storebælt (939/6700053), Ven (431), Drogden (1728) og Bornholmsdybet

(BMoPK2). Disse data er indsamlet af forskellige institutioner og analyseret af

forskellige laboratorier. Antallet af laboratorier, som har analyseret TN-/TP-

prøver, er faldet fra omkring 5 (vides ikke med sikkerhed, da det ikke altid er

indrapporteret konsekvent i de tidligere år) til 1 laboratorium efter 2010. Frem

til og med 2006 anvendtes udelukkende autoklavmetoden.

Fra 2007 indfases en ny autoklavemetode (DS/EN ISO 11905-1) af Eurofins i

stedet for den gamle autoklavemetode (DS 221). Alle data frem til og med 2015

er angivet som udført med DS/EN ISO 11905-1. Imidlertid har Eurofins oplyst

til Miljøstyrelsen, at alle data fra og med 2010 er analyseret med UV-metoden

(DS/ISO 29441). Muligvis er UV-metoden indfaset gradvist i perioden 2007

til 2010. UV-metode (DS/ISO 29441) er først registreret i ODA fra 2016, da

ALS-laboratoriet overtager analyserne i 2016. For at vurdere en eventuel

afvigelse af prøver analyseret med DS/EN ISO 11905-1 fra før 2010, har vi

markeret disse observationer i de efterfølgende analyser med ukendt

oxidation.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Alle danske TP-prøver frem til og med 2015 blev oxideret med autoklave-

metoden, dvs. også prøver analyseret af Eurofins. Derimod anvender ALS-

laboratoriet UV-oxidation fra 2016 og frem til marts 2017, hvor de af Miljø-

styrelsen bliver gjort opmærksom på, at UV-oxidation for TP-prøver ikke er

godkendt.

DCE modtager hvert år vandkemidata fra SMHI for stationer i de indre åbne

farvande, som benyttes i forbindelse med den årlige rapportering. Vi har i

forbindelse med nærværende analyse fået oplyst, at SMHI overgik fra manuel

analyse af TN/TP til en segmenteret flowanalyse (Alpkem RFA/2) i 1991, som

blev udskiftet med en ny metode for analyse (Alpkem Flow Solution IV) i

2005. I alle tilfælder er der tale om autoklavemetoder. Effekten af det første

metodeskift kendes ikke, men SMHI har vurderet, at det andet metodeskifte

medførte højere TP-koncentrationer (en forøgelse på ca. 0,15 µmol L

-1

hvorimod der ingen effekt var for TN. Endelig indførte SMHI i løbet af 2004

en ændring i deres måling af TP, idet prøverne skulle henstå i mindst en uge

efter oxidation for at reducere effekten af klorgas på måling af fosfat.

Tyske data er downloadet fra ICES. Da der er flere tyske institutioner involveret

i prøvetagning og analyser, som benytter forskellige metoder, er det tyske

datasæt begrænset til data fra IOW, som foretager de fleste målinger i åbne

farvande i Østersøen. IOW har i de senere år anvendt mikrobølger (Mars-

Xpress) til oxidation af deres TN-/TP-prøver, men tidligere har de anvendt

autoklave og andre metoder til oxidation. Det har ikke været muligt, at få

klarlagt hvornår hvilken oxidationsmetode har været anvendt, men vi antager,

at mikrobølger er anvendt siden 2009, hvor der findes mere konsistente

målinger af TN/TP. IOW anfører, at de havde problemer med autoklavering

og kogning af prøver, før de skiftede til mikrobølger.

3.2

Statistisk analyse

Da der er en permanent lagdeling af vandsøjlen i det undersøgte område med

et springlag omkring 15 m i Kattegat, Øresund og Bælthavet, et springlag om-

kring 35 m i Arkona bassinet og omkring 60 m i Bornholm bassinet, så er data

undersøgt ved en stratificeret analyse af overfladevand (0-10 m) og bundvand

(≥ 20 m i Kattegat, Øresund og Bælthavet, ≥ 40 m i Arkona bassinet og ≥ 70 m

i Bornholm bassinet).

Vi har undersøgt følgende 6 variable, som alle kan tilnærmes med en lognor-

mal fordeling:

DIN (summen af ammonium, nitrit og nitrat)

DIP (fosfat)

TN (total kvælstof)

TP (total fosfor)

organisk N (TN-DIN)

organisk P (TP-DIP)

Formålet med analysen er at beskrive 1) ændringer over tid i de åbne farvande

baseret på målinger fra forskellige lande og 2) forskelle mellem anvendte me-

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

toder til analyse/oxidation af TN/TP. Det skal bemærkes, at fosforkoncentra-

tioner ikke er analyseret for bundvand, da iltsvind ofte forekommer i de indre

farvande, hvilket giver store variationer i målingerne af DIP og TP og dermed

påvirker den beregnede koncentration af OP.

3.2.1 Analyse af ændringer over tid

I denne analyse vil vi bestemme tidstrenden for de analyserede variable for

prøver indsamlet af SMHI, IOW, DMU og Miljøstyrelsen (inkluderer alle am-

ter/miljøcentre, som har foretaget prøvetagninger i de åbne farvande). Det

antages, at den tidslige variation er ens over alle disse stationer, om end med

forskelle i niveau, idet tidslige variationer i næringsstofkoncentrationerne ho-

vedsageligt er styret af overordnede regionale effekter såsom udveksling af

vandmasser mellem Østersøen og Nordsøen og afstrømning fra land. Derfor

er variationer i de 6 variable beskrevet ved følgende model:

log(��) = �� + ��

��

+ ��

��

× ��ℎ

��

+ ��

��

× ��

��

+ �� + ��

Lig. 3.1

hvor

��

beskriver forskelle i koncentrationer mellem station,

��

��ℎ

��

beskriver det overordnede tidslige forløb, hvor hver enkelt måned i

hvert enkelt år har sin egen middelværdi,

��

× ��

��

beskriver spe-

cifikke forskelle i koncentrationerne mellem institutioner i de enkelte år,

��

korrigerer for salinitetsvariationer i de enkelte prøver under antagelse af, at

der er en lineær opblandingsrelation mellem Østersø- og Nordsøvand, og

��

er residualvariationen. Denne model beskriver de overordnede rumlige og

tidslige variationer foruden en år til år effekt af, hvilken institution der har

foretaget målingen. Udvikling over tid i de forskellige næringsstofvariable,

når der tages højde for alle andre variationer, kan bestemmes for de fire insti-

tutioner ud fra en kombination af

��

× ��ℎ

��

× ��

��

3.2.2 Analyse af forskelle mellem oxidationsmetoder

I denne analyse vil vi undersøge systematiske forskelle imellem metoder an-

vendt til oxidation (autoklave, mikrobølge, UV og ukendt). Metoden

”ukendt” dækker over perioden 2007-2009, hvor metodekoden DS/EN ISO

11905-1, som beskrevet ovenfor, er anvendt ved dataindberetning fra flere

laboratorier for Miljøstyrelsen uden at det med sikkerhed vides, hvilken

oxidation der er brugt. Som i forrige analyse antages den tidslige variation at

være ens for alle stationer, om end disse kan have forskellige niveauer. Derfor

er variationer i de 6 variable beskrevet ved følgende model:

log(��) = �� + ��

��

+ ��

��

× ��ℎ

��

+ ��

��

(��

��

) + �� + �� + ��

Lig. 3.2

hvor

��

beskriver den systematiske variation mellem de fire institu-

tioner, og

��

(��

��

)

beskriver forskellen mellem oxidationsme-

toder anvendt af de forskellige institutioner. Dette betyder, at

��

(��

��

)

beskriver den ændring, som forskellige oxidationsme-

toder har for MST-målinger og som metodeskift i 2005 har for SMHI-målin-

ger, når det antages, at disse to effekter ikke ændrer sig mellem stationer og

over tid. Sagt på en anden måde, så beskriver

��

(��

��

)

relative

ændringer ved metodeskift for oxidation af MST-prøverne, vurderet i forhold

til den generelle tidslige udvikling og den generelle rumlige variation beskre-

vet ud fra data fra de andre institutioner.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

De andre systematiske faktorer i

lig. 3.2

er beskrevet i

afsnit 3.2.1.

Udover re-

sidualvariationen indgår der 4 tilfældige effekter, som er interaktioner mel-

lem de systematiske faktorer (ikke beskrevet i detaljer her). Denne opsplitning

i flere tilfældige effekter er nødvendig for en så korrekt beskrivelse af varians-

strukturen i data og dermed korrekte teststørrelser for test af de systematiske

faktorer i

lig. 3.2.

3.3

Resultater og diskussion

Generelt skal det bemærkes, at der er væsentlig færre målinger fra IOW end

fra andre institutioner på de undersøgte stationer, da de kun overvåger de

sydligste stationer. Dette medfører, at der er væsentlig større usikkerhed på

middelværdierne, der repræsenterer institutionen IOW og mikrobølge som

oxidationsmetode. Endvidere vil forskellige detektionsgrænser for de uorga-

niske næringsstoffer påvirke middelniveauerne for DIN.

3.3.1 Forskelle over tid mellem institutioner

DIN årsmidler for overfladeprøver målt af Miljøstyrelsen var generelt højere

end for de andre institutioner frem til omkring 2000, hvorefter MST-målinger

var på niveau med SMHI (figur

3.1).

Tilsvarende højere DIN-koncentrationer

kunne ikke ses i bundvandet, hvor der næsten altid er målbare DIN-niveauer.

De høje DIN-koncentrationer i overfladeprøverne målt af Miljøstyrelsen til-

skrives derfor de relativt høje detektionsgrænser, som var gældende for mange

målinger foretaget af Miljøstyrelsen (amterne) i 1990’erne. DIN-koncentratio-

nen for IOW-målinger var lav fra 2010 til 2016 for både overfladevand og

bundvand. Årsagen hertil er ikke kendt.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Overflade (0-10 m)

DMU

MST

IOW

SMH

Bundvand (>20 m)

DMU

MST

IOW

SMH

DIN (µmol L

-1

)

DIN (µmol L

-1

)

1990

1995

2000

2005

2010

2015

DMU

MST

2020

IOW

SMH

1990

1995

2000

2005

2010

2015

DMU

MST

2020

IOW

SMH

Organisk N (µmol L

-1

)

Organisk N (µmol L

-1

)

1990

1995

2000

2005

2010

2015

DMU

MST

2020

IOW

SMH

1990

1995

2000

2005

2010

2015

DMU

MST

2020

IOW

SMH

TN (µmol L

-1

)

TN (µmol L

-1

)

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

Figur 3.1.

Udvikling over tid for uorganisk kvælstof (DIN), organisk kvælstof og total kvælstof (TN) i overfladevand og bund-

vand vurderet ud fra målinger foretaget af fire institutioner (DMU, IOW, MST og SMHI). Error bars angiver 95% konfidens-

grænser for middelværdierne. Bemærk forskel i akseinddeling for DIN.

IOW målte generelt lave koncentrationer af TN og ON før ca. 2000, hvilket

formentlig hænger sammen med, at der er anvendt ikke-optimale metoder til

oxidation af prøverne. MST havde derimod højere koncentrationer af TN og

ON frem til 1995, hvorefter målinger fra MST, DMU og SMHI afspejlede de

samme overordnede tendenser frem til 2010. Siden 2010 har målinger foreta-

get af MST (Eurofins går over til UV-metode) været markant lavere end må-

linger foretaget af IOW og SMHI for både TN og ON. Største afvigelse var i

2016, hvor laboratoriet ALS analyserede prøverne for MST. Sammenholdt

med IOW og SMHI var middelniveauet for ON og TN i MST-prøver (2010-

2015) henholdsvis 22,2% og 20,9% lavere for overfladevand og 30,3% og 13,8%

lavere for bundvand. I 2016 var MST’s målinger af ON og TN henholdsvis

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

28,9% og 23,1% lavere i overfladevandet og 44,4% og 17,7% lavere i bundvan-

det. Den relative forskel mellem MST-prøver og IOW-/SMHI-prøver var no-

get større for ON end TN, da en del af TN udgøres af DIN, som ikke påvirkes

af oxidationsmetoden (se også afsnit 1 og 2.3). Samtidig var den relative for-

skel større for ON i bundvand end i overfladevand (30,3% mod 22,2% for

2010-2015 og 44,4% mod 28,9% i 2016). Derimod var den absolutte forskel i

ON mellem MST og IOW/SMHI af samme størrelsesorden for 2010-2015 (3,59

µmol L

-1

i overfladevand mod 3,23 µmol L

-1

i bundvand) og tilsvarende for

2016 (4,60 µmol L

-1

i overfladevand mod 4,65 µmol L

-1

i bundvand). Dette be-

tyder, at forskellen mellem MST og IOW/SMHI næsten er konstant, og der-

ved at en relativt større del af ON i overfladen er lettere nedbrydeligt. De hø-

jere niveauer af ON i overfladevandet skyldes planktonalgeproduktionen, og

det må forventes, at dette ”frisk producerede” ON i større grad kan oxideres

med både UV og autoklave. Baseret på et forventet sammenfald i den tidslige

udvikling mellem forskellige institutioner, vurderes det, at ON i MST-prøver

er ca. 3,4 µmol L

-1

lavere end IOW/SMHI for 2010-2015 og ca. 4,6 µmol L

-1

lavere i 2016.

0.5

0.4

0.3

DMU

MST

IOW

SMH

0.8

DMU

MST

IOW

SMH

Organisk P (µmol L

-1

)

0.6

DIP (µmol L

-1

)

0.4

0.2

0.1

0.2

1990

1.2

1995

2000

2005

2010

2015

DMU

MST

2020

IOW

SMH

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

0.9

TP (µmol L

-1

)

0.6

0.3

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

Figur 3.2.

Udvikling over tid for uorganisk fosfor (DIP), organisk fosfor og total fosfor (TP) i overfladevand vurderet ud fra

målinger foretaget af fire institutioner (DMU, IOW, MST og SMHI). Error bars angiver 95% konfidensgrænser for middelvær-

dierne.

DIP-niveauerne for de forskellige institutioner viste den samme overordnede

udvikling over tid (figur

3.2).

Derimod var den tidslige udvikling for OP og

TP forskellig alt efter hvilke institutionsdata, der benyttes. SMHI’s metode-

ændring i 2005 gav en kraftig øgning af årsmidlerne for både OP og TP. Fra

1992 til 2004 sås et tydeligt fald i TP-koncentrationerne for alle fire institutio-

ner, hvor de højeste niveauer blev målt af DMU – SMHI målte ca. 0,1 µmol L

lavere, og MST lå midt imellem. Siden 2005 har der ikke været nogen generel

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

trend i OP og TP, men niveauerne er forskellige. I perioden 2005-2009 var

middelniveauet for MST henholdsvis 0,32 µmol L

-1

og 0,63 µmol L

-1

for OP og

TP, hvilket var højere end IOW (0,30 µmol L

-1

og 0,54 µmol L

-1

) og lavere end

SMHI (0,46 µmol L

-1

og 0,84 µmol L

-1

). Disse niveauer ændrede sig kun ganske

lidt til perioden 2010-2015, og der var ingen større forskydninger mellem MST

og de to andre institutioner. Derimod faldt niveauet for OP og TP i 2016 for

MST’s målinger (0,31 og 0,57 µmol L

-1

) i forhold til de tidligere år, hvorimod

data fra de to andre institutioner viste en stigning i 2016 i forhold til tidligere.

I forhold til SMHI-målinger, så var OP og TP i MST-målinger 33% og 25%

lavere i 2010-2015, men i 2016 steg forskellen til 48% og 35%. Det indikerer, at

der opnås lavere OP og TP ved UV-oxidation, som den er udført af ALS labo-

ratoriet. Ydermere er de store systematiske forskelle i TP-niveauer mellem in-

stitutioner bemærkelsesværdige og bør undersøges nærmere, men en sådan

analyse ligger uden for dette notats formål.

3.3.2 Forskelle mellem oxidationsmetoder

Der var signifikante variationer mellem stationer for alle undersøgte variable

med undtagelse af ON i både overflade- og bundvand (tabel

3.1).

Alle variable

viste også en stærk signifikant sammenhæng med salinitet i prøven. Tilsva-

rende var de tidslige variationer signifikante for alle undersøgte variable med

undtagelse ON i bundvandet, og ON i overfladen var på grænsen til at være

signifikant. Dette indikerer, at koncentrationen af ON i de indre åbne far-

vande er forholdsvis konstant over tid. Der var systematiske forskelle mellem

de fire institutioners målinger af kvælstof- og fosforkoncentrationer med und-

tagelse af ON og TN i bundvandet. Endelig viste analysen, at der var forskel

mellem oxidationsmetoder for både TN og TP i MST-prøver, såvel som der

var signifikant effekt af SMHI’s metodeskift i 2005. Tilsvarende resultater

gjorde sig gældende for de organiske fraktioner. Derimod udviste ingen af de

uorganiske koncentrationer, som forventet, en effekt af oxidationsmetode el-

ler SMHI’s metodeskift, hvilket tyder på, at det er selve oxidationsmetoden,

og ikke bestemmelen af fosfat efterfølgende, der gav anledning til ændringen.

Tabel 3.1.

Statistisk test af systematiske effekter i

lig. 3.2, afsnit 3.2.2.

er angivet ved P-værdi for forskellige kvælstof- og

fosforfraktioner i overfladevand og bundvand. Signifikante effekter (P < 0,05) er markeret med grå toning.

��

Overflade

DIN

DIP

Bundvand

DIN

0,0017

0,1808

0,0281

<0,0001

0,1942

<0,0001

�� × ��

<0,0001

0,0493

0,0042

<0,0001

0,0047

0,0940

0,0036

��

0,0006

<0,0001

0,0005

<0,0001

0,0099

0,0953

0,0820

��(��)

0,6563

<0,0001

0,7701

<0,0001

0,1497

0,0054

0,0019

��

<0,0001

Der var store forskelle mellem de fire institutioner for målinger af ON og TN

(figur

3.3).

Ligeledes var der store forskelle mellem de tre oxidationsmetoder

for MST. Forskellen skyldtes hovedsageligt lavere koncentrationer ved UV-

oxidation. For ON i overfladen var der ikke signifikant forskel mellem auto-

klave og ukendt metode (P = 0,0515), hvorimod UV-prøver var signifikant la-

vere end både autoklave (P < 0,0001) og ukendt (P = 0,0005). For TN i overfla-

den var mønstret det samme – ingen forskel mellem autoklave og ukendt (P

= 0,1728), hvorimod UV var signifikant lavere end både autoklave (P < 0,0001)

og ukendt (P = 0,0001). For ON i bundvandet var der ingen forskel mellem

autoklave og ukendt (P = 0,8753), hvorimod UV-oxidation gav lavere værdier

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

end både autoklave (P = 0,0033) og ukendt (P = 0,0083). For TN i bundvandet

var der ingen forskel mellem autoklave og ukendt (P = 0,948) og ukendt og

UV (P = 0,0664), hvorimod der var signifikant forskel mellem autoklave og

ukendt (P = 0,0006). ON målt med UV-oxidation var i gennemsnit 22-23% la-

vere end målt efter oxidation med autoklave. Forskellen var 21% for TN i

overfladen og 15% i bundvandet. Den lille forskel mellem autoklave og

ukendt oxidation indikerer, at størstedelen af prøverne i perioden 2007-2009

(DS/EN ISO 11905-1) er blevet oxideret med autoklavemetoden, men det er

muligt at der er introduceret UV-oxidation tidligere end 2010 grundet de lidt

lavere niveauer for ukendt i forhold til autoklave. Samlet indikerer analy-

serne, at TN-oxidation med UV giver ca. 22-23% lavere værdier for ON.

Overflade

Organisk N (µmol L

-1

)

TN (µmol L

-1

)

MST ??

MST AK

MST UV

MST AK

MST ??

IOW MW

SMH AK

MST UV

Bundvand

DMU AK

Bundvand

Organisk N (µmol L

-1

)

TN (µmol L

-1

)

MST ??

DMU AK

MST AK

MST UV

MST AK

MST ??

IOW MW

SMH AK

MST UV

Overflade

DMU AK

0.6

Overflade

0.9

0.8

Organisk P (µmol L

-1

)

0.5

0.3

0.2

0.1

TP (µmol L

-1

)

0.4

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

SMH efter

DMU AK

Figur 3.3.

Forskelle mellem institutioner og anvendte metoder til oxidation af TN og TP. Error bars angiver 95% konfidens-

grænser for middelværdierne. AK = autoklave, MW = mikrobølger, UV = UV nedbrydning og ?? er ikke kendt. SMHI har an-

vendt autoklave, men med et metodeskift i 2005 for TP analyser. Forkortelserne dækker over følgende perioder for kvælstof:

DMU AK (1992-2010), IOW (2009-2016), MST AK (1992-2006), MST?? (2007-2009), MST UV (2010-2016) og SMH AK

(1992-2016). For fosfor: DMU AK (1992-2016), IOW (2009-2016), MST AK (1992-2015), MST UV (2016), SMH før (1992-

2004) og SMH efter (2005-2016).

SMH efter

MST AK

SMH før

MST AK

DMU AK

IOW MW

SMH før

MST UV

SMH AK

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

For OP og TP var der store forskelle mellem institutioner og mellem oxidati-

onsmetoder/analysemetoder (tabel

3.1).

Der var et signifikant fald på 22% (P

< 0,0001) for OP og 13% (P < 0,0001) for TP ved overgangen fra autoklave- til

UV-oxidation af MST-prøver (figur

3.3).

Reduktionen i OP ved overgang fra

autoklave- til UV-oxidation (22%) er meget lig den tilsvarende observerede

reduktion for ON. Dette kunne mere generelt indikere, at ca. 22% af det orga-

niske materiale i marine prøver ikke bliver nedbrudt ved UV-oxidation. Me-

todeskiftet i 2005 hos SMHI gav tilsvarende en signifikant stigning på 64% (P

< 0,0001) for OP og 36% (P < 0,0001) for TP.

Endvidere er der bemærkelsesværdig stor forskel i OP og TP mellem de fire

institutioner, hvorfor der vil være behov for en uddybende analyse, som lig-

ger uden for dette notats formål. Generelt er fosfatanalyser en af de mest ro-

buste (når der ikke dannes klorgas som ved TP-autoklavering), og der forven-

tes derfor, at der er større overensstemmelse mellem laboratorier end for ni-

trat-/TN-målinger.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Vurdering af de analysemetoder, som

bruges i Danmark og nabolande

Kemiske analyser for TN og TP blev først beskrevet i 1975 og 1985 af Dansk

Standardisering: DS 221 Bestemmelse af nitrogenindhold efter oxidation med

peroxidisulfat og DS 292 for total fosfor. Begge standarder er harmoniseret

med Sverige (SS 02 81 31 hhv. SS 02 81 27), Norge (NS 4743 og NS 4725) og

Finland (SFS 3031 og SFS 3026) (Dansk Standardiseringsråd 1991). Begge me-

toder er siden overgået til DS/EN ISO standarder, som er fælles for hele Eu-

ropa (DS/EN ISO 11905-1 hhv. DS EN ISO 6878), og de to oprindelige meto-

der er ophævet. Der er i metodedatabladene M010 Total nitrogen i vand og

M11 Total fosfor i vand henvist til både DS/EN ISO og de udgåede DS-meto-

der. Ved en ændring i 2014 blev UV-metoden tilføjet M010 (version 03) med

teksten ”Der åbnes for anvendelse af DS/EN 29441-2010 på nær for ferskvand

og søer”.

Alle DS- og DS/EN ISO-metoderne beskriver ”batch”-analyser, dvs. analyser

hvor der analyseres en prøve ad gangen og med spektrofotometer til sidst.

Det er der dog ikke længere nogen laboratorier, der anvender. I stedet anven-

des enten segmenteret flow (CFA) eller flow injektion (FIA) autoanalysere

(Grasshoff et al. 1999), hvor reagenserne tilsættes i et flow-system, hvor de

enkelte reagenser blandes i med T-stykker til enten et flow adskilt af luftbob-

ler (CFA) eller en konstant strøm af bærevæske og prøve (FIA). Detektionen

sker så med et spektrofotometer, hvor væskestrømmen kører igennem en

flow-through cuvette, og absorptionen måles kontinuert.

For de nyeste CFA- og FIA-systemer er der sket yderligere automatisering, så

den foreskrevne oxidation af prøven med peroxidisulfat kan foretages direkte

i autoanalyseren med assistance af UV-bestråling og en varmekappe.

4.1

Total nitrogen analysemetoden

Analysen af TN foregår ved oxidation af prøven (omdannelse af organisk- og

kompleks-bundet kvælstof til nitrat) ved oxidation med peroxodisulfat i ba-

sisk miljø med en af to metoder (jf. metodedatablad 10):



DS/EN ISO 11905-1:1998 oxidation med peroxodisulfat i autoklave, dvs.

opvarmning til 120 °C under tryk i 30 minutter



DS/ISO 29441:2010 oxidation med peroxodisulfat og tilført energi til oxi-

dationsprocessen ved opvarmning til 70 °C og UV-belysning, mens prøve

og reagenser flyder gennem reaktionsspiraler.

Begge metoder inkluderer altså peroxodisulfat som oxidationsmiddel, men

lavere temperatur + UV-bestråling i DS/ISO 29441-metoden (UV-metoden

herefter). Eurofins (2010) undersøgte forskellene mellem de to metoder for

spildevand og ferskvand og kom frem til, at UV-metoden var lidt mere påvir-

kelig af partikler/suspenderet stof, som kan interferere på målingen (maks.

suspenderet stof ~30 mg/l), og detektionsgrænsen for metoden er 10 gange

højere end DS/EN ISO 11905-1. Baseret på de ovenstående overvejelser kon-

kluderer rapporten, at der på daværende tidspunkt (juni 2010) ikke var til-

strækkeligt fagligt grundlag for at åbne for anvendelse af DS/ISO 29441 pa-

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

rallelt med DS/EN ISO 11905 til bestemmelse af TN i vand inden for anven-

delsesområdet for kvalitetsbekendtgørelsen (dengang bekendtgørelse 1353,

nu erstattet af bekendtgørelse 1146).

Da den forventede detektionsgrænse med UV-metoden er 0,2 mg L

-1

og ana-

lysekvalitetskravet for kontrol/overvågning af marint vand er 0,02 mg L

-1

kan metoden ikke anvendes til marint vand uden optimering af metoden til

havvand.

Eurofins har gennemført en metodesammenligning for bestemmelse af TN i

vand efter DS/EN ISO 29441 og DS/EN ISO 11905-1, der viste, at de to meto-

der giver samstemmende resultater (Eurofins 2014). Sammenligningen blev

udført på 10 stoffer. På nær 4-nitrophenol er de 10 stoffer let nedbrydelige og

ikke relevante for naturlige vandprøver. Netop for 4-nitrophenol fås også en

lavere og ikke tilfredsstillende effekt af UV-nedbrydning. Der er ikke udført

sammenligning af marint vand. I naturlige vandprøver er humus og fulvic-

forbindelse de dominerende kvælstofholdige stoffer, og de indeholder typisk

mange phenol- og aromastisk ringstrukturer, som kan ligne 4-nitrophenol.

Notatet konkluderer: ”På den baggrund anbefaler referencelaboratoriet, at

metodedatablad M010 /7/ revideres således, at der åbnes for anvendelse af

DS/ISO 29441 på nær for prøvetyperne ferskvand fra søer og vandløb.”

Denne formulering er åbenbart blevet tolket sådan af analysedelen i Eurofins,

at referencelaboratoriet (også Eurofins) åbner for at anvende UV-oxidation på

marine prøver, selvom det er indlysende, at problemerne med at anvende UV-

oxidation her er endnu større end i ferskvand.

Det første forslag til at anvende UV-assisteret nedbrydning af TN i havvand

var en batch-metode foreslået af Armstrong (1966). Forsøg med at anvende

UV-assisteret nedbrydning af TN (Gustafsson 1984; Walsh 1989) viste gene-

relle problemer med nedbrydning af komplekse kvælstofforbindelser (N-N

og N=N bindinger). Der anvendes brintoverilte til reduktionen i begge meto-

der, og off-line bestemmelse ved højere temperatur (>80 grader i 20 timer).

Forsøg med havvand viste dog, at batch-metoder med UV-nedbrydning kan

være effektive til at måle TN med de kvælstofforbindelser, der findes i hav-

vand omkring Hawaii og Californien (Walsh 1989), og optimering af metoden

for brak- og ferskvand med hensyn til især halogenider og pH med en to-trins

nedbrydning først i surt (svovlsyre) for TP og derefter basisk opløsning (bo-

rax/hydrogenperoxid buffer) for TN som den optimale metode (Gustafsson

1984). Bromid især og halogenider generelt interfererer. Efter optimeringen

fandtes ca. 8% lavere indhold end andre TN-metoder i ferskvand (Kjeldahl-N

adopteret til TN-bestemmelse), og sandsynligvis lidt lavere genfinding i brak-

og havvand pga. det højere indhold af halogenider og især pga. højt indhold

af ON i forhold til TN (Gustafsson 1984). Det skal bemærkes, at UV-belysnin-

gen gennemføres over 5 timer. Udvikling af in-line UV-nedbrydning af TN i

spildevand blev præsenteret af Kroon (1993), som demonstrerede, at UV-ned-

brydning (assisteret af 70 °C opvarmning med kaliumperoxidisulfat ) var på

niveau med Kjeldahl-N i 3-10 mg L

-1

niveauet for ferskvand og spildevand.

Off-line UV-nedbrydning af havvand fra en dam, Cheasepeake Bay og Sar-

gassohavet viste varierende resultater og lav succes for genfinding (Bronk et

al. 2000), hvor det viste sig, at UV-nedbrydning gav 5-40% lavere resultater

end kaliumperoxodisulfat. Højere temperatur og tilsætning af kaliumperoxi-

disulfat som oxidationsmiddel gav dog noget bedre resultater med en genfin-

ding på 91 ± 12%.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Der er udviklet UV-assisteret peroxodisulfat-oxidation til TN (O I Analytical,

2013), men indikationerne er, at in-line UV-opvarmet peroxodisulfat-oxida-

tion giver lavere genfinding af komplekse nitrogenforbindelser (testet for

EDTA, urea, glycin, niacin) pga. den korte opholdstid i reaktoren, og at effek-

ten af UV-belysning er minimal. Højere koncentration af peroxodisulfat og

længere reaktionstid i varmekammeret giver bedre genfinding, men den ma-

nuelle forbehandling i reaktorkammeret giver stadig bedste genfinding.

Der findes en alternativ metode til bestemmelse af TN, hvor prøven opvarmes

i iltatmosfære til mindst 680

C.

Derefter bestemmes den udviklede NOx i

gasfasen med nær-infrarød eller termisk ledningsevne. På grund af de høje

temperaturer forventes alt organisk materiale at være nedbrudt, og dermed

er man ude over problemerne med UV eller peroxodisulfat reaktionernes ef-

fektivitet. I stedet er der dog problemer med katalyse af frit N til NO

i iltat-

mosfæren, så heller ikke denne metode er ideel.

Begge laboratorier, der har anvendt UV-oxidation, anvender ifølge egne op-

lysninger instrumenter fra SKALAR med tilsætning af peroxodisulfat og op-

varmning til 107-110

C

samtidig med UV-belysningen. Det har ikke været

muligt at finde specifikke informationer om de anvendte metoder, udover

SKALARs hjemmeside (http://www.skalar.com/news/skalar-san-cfa-ana-

lyzer-for-the-analysis-of-nitrogen-and-phosphate), som angiver god genfin-

ding for simple organiske N-forbindelser. Det er værd at bemærke, at meto-

den, som SKALAR sælges på hedder ”Total UV digestable Nitrogen”, dvs.

der er et indbygget forbehold for, at ikke alle kvælstofforbindelser nedbrydes

med UV-belysning.

Aarhus Universitet vurderer, at anvendelse af DS/ISO 29441:2010 generelt re-

sulterer i en lavere værdi for TN-koncentration, specielt hvis intensiteten af

UV-oxidation ikke er høj nok til en tilstrækkelig oxidation (dvs. høj koncen-

tration af peroxodisulfat og lang nok reaktionstid ved forhøjet temperatur),

eller at partikulært materiale ikke er tilstrækkeligt findelt/homogeniseret, så

det interfererer med målingen.

4.2

Total fosfor analysemetoden

Total fosfor-analysen består af en oxidation ved kogning i surt miljø med ka-

liumperoxodisulfat, som omdanner komplekst og organisk bundet fosfat til

ortofosfat (DIP). Metoden foreskriver opvarmning til 200 hpa/120 °C i 30 mi-

nutter, fx i autoklave. Herefter bestemmes ortofosfat ved farvereaktion med

molybdat og antimon(III), som danner en fosfor-molybdensyre, der ved re-

duktion med ascorbinsyre giver en proportional mængde molybdenblåt, som

bestemmes spektrofotometrisk ved 880 eller 700 nm.

Der er i forskriften advaret om, at kogning af havvand med kaliumperoxo-

disulfat kan give opløst klorgas efter oxidationen, som vil reduceres ved re-

aktion med ascorbinsyre, dvs. man kan få falsk negative/for lave resultater,

hvis klorgassen ikke fjernes før ortofosfatanalysen.

For historiske prøver i Danmark udført af DMU blev fjernelsen af klorgas fo-

retaget ved forsigtig udrystning med natriumsulfit i 4 timer. I Sverige har man

fra 2004 håndteret det ved at vente 7 dage efter oxidationen med at analysere,

for at klorgassen kunne resorberes eller dampe ud af prøven.

I Sverige blev der samtidig, i 2005, skiftet fra en CFA-analysator til en FIAs-

analysator (begge af mærket AlpKem), og der blev set en stigning i de målte

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

TP-koncentrationer på ca. 0,15 µM efter skiftet. Det er ikke helt klart om stig-

ningen skyldes skiftet af analysator eller den ændrede procedure for at undgå

lavere måling pga. klorgas i prøven efter autoklavering. Der er anvendt

samme autoklaveringsmetode i hele forløbet, men QUASIMEME-resultaterne

gik også fra at være konstant lavere end målværdien til at være på niveau eller

højere. Sammenlignet med danske resultater fra samme stationer var resulta-

terne før 2004/5 generelt lavere, når målingerne blev gennemført af Sverige,

og efter 2005 er de generelt lidt højere. DMU anvendte samme metode til oxi-

dation som SMHI – en kombineret oxidation af TP i surt medie og TN i basisk

medie på autoklave. Ved inspektion af ortofosfat-resultater i perioden før og

efter 2005 kan det ses, at der ikke ser ud til at være sket et tilsvarende skred i

DIP-koncentrationen, hvilket tyder på, at det er den indførte ventetid, som

giver ændringen i TP-koncentrationer før og efter skift af autoanalyser.

I Tyskland er der ikke nogen generel metodevejledning til TN og TP, og der

anvender nogle laboratorier, fx i Slesvig Holstein, UV-nedbrydning, men der

er ikke lavet nogen undersøgelser af betydningen af de forskellige metoder i

Tyskland.

Der er udviklet UV-assisteret peroxodisulfat-oxidation til TP (O I Analytical,

2013), men indikationerne er, at in-line UV-opvarmet peroxodisulfat-oxida-

tion giver lav genfinding af hydrolysebare fosfatforbindelser pga. den korte

opholdstid i reaktoren, og at metoden kun kan forbedres ved længere tid ved

højt tryk/høj temperatur som i de manuelle metoder.

I et nyt review af fosforanalyser (Worsfold et al. 2016) beskrives metoderne

med peroxodisulfat-autoklavering som den mest almindelige, og det anbefa-

les for havvand at gennemføre oxidationen, så der startes alkalisk og fortsæt-

tes indtil peroxodisulfaten er nedbrudt til hydrogensulfat og dermed lavt pH,

så også kondenserede fosforforbindelser, der ikke nedbrydes ved højt pH,

omdannes til fosfat. Oxidation med peroxodisulfat i mikrobølgeovn, auto-

klave eller på vandbad giver samme resultater (inden for 5% ifølge referencen

Maher et al. 2002), og forskellige in-line metoder med høj-temperatur (op til

160

C)

peroxodisulfat-nedbrydning er vist. Omkring anvendelsen af UV-oxi-

dation er der mange metoder både med og uden opvarmning. Ifølge Worsfold

et al. 2016 er disse acceptable for spildevand og ferskvand, men der rapporte-

res matrixproblemer for jordvand med højt indhold af jern og aluminium og

naturligt havvand, sandsynligvis pga. højt indhold af calcium- og magnesi-

umioner. Fortynding og kombination af UV og varme med sur peroxodisul-

fat-oxidering kan måske løse problemet for havvand. Vores vurdering er dog,

at UV-baserede metoder ikke kan anbefales for naturligt overfladevand, af de

årsager som er beskrevet i indledningen.

Alternative metoder til TP inkluderer ICP-OES og ICP-MS, men følsomheden

er ikke god nok til at erstatte de nuværende spektrofotometriske metoder for

havvand.

Aarhus Universitet vurderer, at der ikke vil være forskel på anvendelse af mi-

krobølgeovn og autoklave til oxidationen med peroxodisulfat, men at in-line

UV-nedbrydning for TP kan give for lave resultater. Denne metode anvendes

dog ikke af de danske laboratorier, så p.t. er det ikke et problem, og metoden

er heller ikke tilladt efter M011.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Diskussion

Resultaterne peger entydigt på, at UV-metoden giver en ufuldstændig oxida-

tion af organisk kvælstof i vandprøver fra naturligt marint overfladevand.

Både de direkte sammenligninger i

afsnit 2,

gennemgangen af overvågnings-

data fra Sverige, Tyskland og Danmark i

afsnit 3

og gennemgangen af metoder

afsnit 4

støtter denne konklusion. For fosfor vil vi også forvente, at UV-me-

toden resulterer i en ufuldstændig oxidering af det organiske stof og dermed

en underestimering af OP, men størrelsen af den forventede underestimering

kan ikke estimeres på baggrund af de eksisterende data. Betydningen af den

ufuldstændige oxidation ved at bruge UV-metoden for total koncentratio-

nerne er dog størst for kvælstof, da den organiske fraktion er større (ca. 81%)

end for fosfor (ca. 50%). For fosfor påvirkes forskellen mellem oxidationsme-

toder for TP af, at der er indikationer på problemer med udførelsen af auto-

klavemetoden i parallelanalyserne. Analysen (afsnit

indikerer, at der er et

negativ offset på OP- og TP-data fra Eurofins, og at forskellen mellem de to

metoder er stærkt afhængig af salinitet. Gennemgangen af analysemetoder

(afsnit

kan tyde på, at det skyldes interferens fra klorgasser, som udvikles i

stigende grad med salinitet og giver et negativt offset for målinger med auto-

klavemetoden, hvis der ikke sikres tilstrækkelig fjernelse af klorgas i prøven

inden måling af fosfatkoncentration. Effekten af klorgas er velkendt og be-

skrevet allerede i DS 292 (Dansk Standardiseringsråd 1991).

5.1

Kvantificering af underestimering af organisk kvælstof

efter anvendelse af UV-oxidation

Den mest direkte sammenligning er for data fra Eurofins, som har brugt både

UV- og autoklavemetoden (2017-data). Her viser data, at UV-metoden i gen-

nemsnit underestimerer ON-koncentrationer med 16-17% og TN-koncentra-

tioner med ca. 13% i forhold til autoklavemetoden (tabel

2.2).

For TN vil den

aktuelle underestimering for en enkelt prøve primært afhænge af DIN-frakti-

onen. For ON vil den aktuelle underestimering afhænge af typen (og alderen)

af det organiske stof og dermed variere som følge af fx salinitet, dybde og

sandsynligvis årstid. Analyse af parallelprøverne viser systematiske afvigel-

ser mellem UV- og autoklavemetoden, som afhænger af salinitet, hvilket in-

dikerer, at omregningen fra UV- til autoklavemetoden sandsynligvis kan for-

bedres ved at inddrage salinitet.

Beregningerne i

afsnit 3

(afsnit

3.3.2)

viser samme resultat: at UV-oxidation

underestimerer ON-koncentrationerne i forhold til autoklavemetoden, og at

underestimeringen i middel er på ca. 22-23%. Afvigelsen mellem danske vær-

dier (MST) og svenske og tyske værdier var relativt større for bundvand (>

20 m) end overfladevand. Da bundvand i gennemsnit har højere salinitet end

overfladevand, så giver de to analyser samme resultat: en underestimering

ved brug af UV-metoden og en bestyrkelse af, at underestimeringen afhænger

af salinitet/dybde.

Ovenstående vurdering er hovedsagelig baseret på prøver fra efteråret. Der

er således kun meget lidt viden om sæsonvariationen i effekten af oxidations-

metode. I sommerperioden er fytoplanktons produktion den væsentligste kilde

til opløst organisk stof (Markager et al. 2011). Frisk produceret organisk ma-

teriale vil sandsynligvis være lettere at oxidere, hvorved forskellen mellem

UV-metoden og autoklavemetoden vil mindskes. I et naturligt miljø vil det

”friske” organiske materiale imidlertid være under intens naturlig fotokemisk

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

nedbrydning, da lysintensiteten er høj om sommeren, hvilket fremmer remi-

neraliseringen af organisk kvælstof og efterlader en relativt større andel ON,

som er sværere at oxidere. Dette kan medføre en lavere effektivitet af UV-

metoden og dermed større forskel mellem de to metoder.

I vores analyser er der den diskrepans, at der i den direkte analyse (tabel

2.2)

ikke findes nogen forskel mellem UV-metoden, som er udført af Eurofins og

ALS-laboratoriet. Omvendt finder analysen i

afsnit 3,

at den relative afvigelse

mellem danske og udenlandske data stiger fra 22,3 til 28,9% for overfladevand

og fra 28,9 til 44,4% for bundvand i 2016, hvor analyserne overgår fra Eurofins

til ALS. Vi har ikke nogen forklaring på dette forhold.

5.2

Kvantificering af afvigelser for organisk fosfor efter

anvendelse af UV-oxidation

Generelt viser analyserne, at det er vanskeligere at analysere for OP end for

ON. Vi vil dog forvente, at UV-metoden giver en mindre effektiv oxidering

og dermed en underestimering af OP-koncentrationen i forhold til autoklave-

metoden. I Danmark er UV-metoden kun anvendt af ALS-laboratoriet fra 1.

januar 2016 til marts 2017. Analysen i

afsnit 3.3.1

viser, at forskellen til svenske

data stiger med 15% i 2016, og effekten af metoden (figur

3.3)

viser en nedgang

i effektiviteten af oxidationen af OP på 22%. Parallelanalyserne viser, at der i

middel ikke er forskel på UV- og autoklavemetoden, og datasættet giver ikke

umiddelbart grundlag for at kunne kvantificere en eventuel forskel mellem

UV- og autoklavemetoden for forfor, idet variationen omkring de estimerede

relationer er stor, hvilket betyder en forholdsvis ringe overensstemmelse mel-

lem de to metoder på enkeltprøver. For TP er variationen på enkeltprøver om-

kring ±25% og for OP er den tilfældige variation mellem enkeltprøver om-

kring ±50%. Den store variation mellem de to oxidationsmetoder på enkelt-

prøver medfører, at de estimerede relationer ikke er bestemt med stor sikker-

hed. Det betyder, at en omregning fra UV-oxidationsmetode til autoklave-oxi-

dationsmetode vil give stor usikkerhed, både på enkeltmålinger (pga. den

store variation på enkeltprøver) og på større datasæt (pga. usikkerheden i re-

lationen). Der er indikationer på, at der er problemer vedrørende bestem-

melse af ortofosfat efter autoklave-oxidation, som bidrager til den store vari-

ation. Ifølge

afsnit 4

kan dette skyldes udvikling og interferens fra klor dannet

under oxidationen. Det er ikke muligt at kvantificere dette forhold præcist, da

der potentielt også kan være et, om end mindre, problem med en negativ in-

terferens fra udviklet klor for UV-metoden, og der mangler systematiske data

ved helt lave TP-koncentrationer.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

6.1

Vurdering af implikationer

Vurdering af implikationer for vandområdeplaner

De beregninger, som ligger til grund for vandområdeplanerne, blev udført i

2013 og anvender kun data frem til og med 2012. En underestimering af TN-

koncentrationer på ca. 15% fra 2010-2012 vurderes at have minimal til ingen

betydning for de konklusioner, som anvendes i vandområdeplanerne.

Det er kun de statistiske metoder, som direkte anvender TN-koncentrationer

i beregning af indsatsbehov, og TN er kun anvendt til estimering af indsats-

behovet for 8 ud af 119 vandområder. For de vandområder, hvor TN indgår i

fastlæggelse af indsatsbehov, er det kun underestimeringen i årene 2010-2012,

som kan have en betydning. Afvigelsen i disse år betyder, at relationer mellem

TN-tilførsler og TN-koncentrationer er blevet overestimeret, hvilket princi-

pielt betyder en underestimering af indsatsbehovet. Til relationerne mellem

TN-tilførsler og TN-koncentrationer er der imidlertid anvendt minimum 15

års, og ofte 20-25 års, data, hvorfor en potentiel underestimering af data fra 3

år forventes at have uvæsentlig betydning for bestemmelse af koefficienterne

for relationer mellem TN-tilførsler og TN-koncentrationer. Denne vurdering

gælder selvom fejlen på TN-målinger formodentligt vil være på de laveste

TN-værdier i de anvendte tidsserier. Endvidere bygger indsatsbehovsbereg-

ningerne på en række af indikatorer, hvorved en eventuel fejl/usikkerhed på

en enkelt indikator (fx TN) bliver endnu mindre i den samlede beregning af

indsatsbehov for det enkelte vandområde.

For de vandområder, hvor mekanistiske modeller er benyttet til fastlæggelse

af indsatsbehov, indgår TN-data ikke direkte i beregningerne af indsatsbehov,

men alene til kalibrering/validering. Der er anvendt data i perioden 2001-

2011 i kalibrering/validering, hvorved fejl på 2 års TN-data hovedsagligt har

betydning for vurderingen af, hvor godt modellerne beskriver data. Den mest

sandsynlige konsekvens af fejl på TN-målinger er således, at modellernes

evne til at beskrive data har været en smule underestimeret.

6.2

Vurdering af implikationer for klassifikation af områders

økologisk tilstand

Den manglende effektivitet af UV-oxidationsmetoden har betydning for NO-

VANA-rapporteringerne, idet forbedringen i miljøtilstanden (beskrevet ved

årsgennemsnit i TN-koncentrationer) siden 2010 er overvurderet for både

fjorde og åbne havområder. For åbne områder som Øresund, Storebælt og

Kattegat kan en korrektion betyde, at indikatoren ”TN-koncentration”, an-

vendt i HELCOM, skifter status fra ”god” til ”dårlig” tilstand. For fjordene

betyder det, at den rapporterede fremgang i miljøtilstanden (baseret på bl.a.

et fald i TN-koncentrationerne) er overvurderet (se fx Hansen et al. 2016). Da

TN- og TP-koncentrationer ikke indgår i den nuværende vurdering af miljø-

tilstanden i forhold til vandrammedirektivet, har en eventuel underestime-

ring af TN og TP koncentrationer ingen betydning for tilstandsvurderingen

over for EU.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Referencer

Armstrong FAJ, Williams PM & Strickland JDH (1966) Photo-oxidation of Or-

ganic Matter in Sea Water by Ultra-violet Radiation, Analytical and Other Ap-

plications Nature 211:481-483.

Bronk DA, Lomas MW, Glibert PM, Schukert KJ & Sanderson MP (2000) Total

dissolved nitrogen analysis: comparisons between the persulfate, UV and

high temperature oxidation methods. Marine Chemistry 69: 163-178.

Dansk Standardiseringsråd (1991) Standarder for Vand & Miljø. Fysiske og

kemiske metoder, bind 1 ISBN 87-7310-117-6.

DS/EN ISO 6878 (2004) Water quality - Determination of phosphorus - Am-

monium molybdate spectrometric method (ISO 6878:2004)

DS/EN ISO 11905-1 (1998) Water quality - Determination of nitrogen - Part 1:

Method using oxidative digestion with peroxodisulfate.

Eurofins (2010) By- og Landskabsstyrelsens Referencelaboratorium. Betyd-

ning af ny DS/ISO standard. Total nitrogen i vandige prøver 2 sammenlignet

brugen af de to metoder (DS/ISO 29441 og DS/EN ISO 11905-1).

Eurofins (2014) Total nitrogen i vand. NOTAT fra Naturstyrelsens Reference-

laboratorium for Kemiske og Mikrobiologiske Miljømålinger.

http://www.reference-lab.dk/media/10350236/notat_tn_i_vand_2014.pdf

Grasshoff K, Kremling K & Ehrhardt M (1999) Methods of sea water analysis

3rd edition. Wiley-WCH.

Gustafsson L (1984) Interferences in the determination of total nitrogen in nat-

ural waters by photo-oxidation to nitrate-nitrite mixture. Talanta 31(11):979-

986.

Hansen JW (red.) (2016) Marine områder 2015: NOVANA. Videnskabelig rap-

port fra DCE - Nationalt Center for Miljø og Energi, nr. 208, Aarhus Universi-

tet, DCE - Nationalt Center for Miljø og Energi.

Kroon H (1993) Determination of nitrogen in water: comparison of a continu-

ous-flow method with on-line UV digestion with the original Kjeldahl

method. Analytica Chimica Acta 276:287-293.

Maher W, Krikowa F, Wruck D, Louie H, Nguyen T & Huang WY (2002) De-

termination of total phosphorus and nitrogen in turbid waters by oxidation

with alkaline potassium peroxodisulfate and low pressure microwave diges-

tion, autoclave heating or the use of closed vessels in a hot water bath: com-

parison with Kjeldahl digestion. Analytica Chimica Acta 463:283-293.

Markager S, Stedmon C & Søndergaard M (2011) Seasonal dynamics and con-

servative mixing of dissolved organic matter (DOM) in the temperate eu-

trophic estuary Horsens Fjord. Estuarine and Coastal Shelf Science 92:376-388.

doi: 10.1016/j.ecss.2011.01.014.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Massicotte P, Asmala E, Stedmon CA & Markager S (2017) Global distribution

of dissolved organic matter along the aquatic continuum: across rivers, lakes

and oceans. Science of the Total Environment 609:180-191

doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.07.076.

O I Analytical (2013) Application Note 39420813. Automated In-line Digestion

and Analysis of Total Phosphorous (TP) and Total Nitrogen (TN) in Environ-

mental Water Samples. Presented at the 2013 Pittsburgh Conference on Ana-

lytical Chemistry and Applied Spectroscopy, Philadelphia, Pennsylvania,

USA

Stedmon CA, Markager S, Borch NH, Laubel A, Søndergaard M, Vang T &

Windelin A (2006) Dissolved organic matter (DOM) export to a temperate es-

tuary: Seasonal variations and implications of land use. Estuaries and Coasts

29:388-400.

Valderrama JC (1981) The simultaneous analysis of total nitrogen and phos-

phorus in natural waters. Marine Chemistry 10:109-122.

Walsh TW (1989) Total Dissolved Nitrogen in Seawater: a New-High-temper-

ature Combustion Method and a Comparison with Photo-Oxidation. Marine

Chemistry 26:295-311.

Worsfold P, McKelvie I & Monbet P (2016) Determination of phosphorus in

natural waters: A historical review. Analytica Chimica Acta 918:8-20.

MOF, Alm.del - 2017-18 - Bilag 298: Rapporter fra Aarhus Universitet om fejlbehæftede analyser af total fosfor og total kvælstof i ferske- og marine vandprøver, fra miljø- og fødevareministeren

Bilag 1

Bestilling til DCE

MST's servicecheck af marine TN- og TP-analyser

I forlængelse af meddelelsen om, at laboratoriet ALS har anvendt en forkert metode i 2016 til at

forbehandle vandprøver til måling af det samlede indhold af kvælstof (total kvælstof/TN) i fersk-

vand har Århus Universitet (AU) meddelt, at de vurderer, at anvendelse af en mangelfuld metode

til at forbehandle marine prøver, kan være årsagen til uforklarligt lave målinger af koncentrationen

af total kvælstof (TN) i 2016 i kystvande og åbne havområder. Målingerne er usædvanligt lave i

2016, men også målinger siden 2010 indikerer et systematisk fald, som kan skyldes ændret analy-

semetode. Målingerne fra 2010-15 indikerer således et systematisk fald i niveau på 15-20 % i for-

hold til årene før 2010. Tilsvarende er der konstateret usædvanlig lave målinger af totalfosfor (TP) i

marine prøver i 2016.

I 2010/11 overtog laboratoriet Eurofins analyserne af TN og TP i marine prøver fra øvrige laborato-

rier. I 2016 blev de marine prøver analyseret af laboratoriet ALS. Der er en risiko for, at de lave må-

linger af TN og det systematiske fald skyldes, at laboratorierne Eurofins og ALS har anvendt en an-

den analysemetode end de tidligere laboratorier. For fosfor er det konstateret, at ALS i 2016 og

frem til marts 2017 har brugt en ikke godkendt UV-metode i forbindelse med analyse for TP.

Med henblik på at afdække størrelsen og betydningen af de konstaterede afvigelser for TN og TP

har MST i efteråret 2017 gennemført en række parallelanalyser for TN og TP. MST har endvidere

bedt Miljøstyrelsens referencelaboratorium om at forholde sig til parallelanalyserne for TN i rela-

tion til de anvendte metoder. MST vil eftersende Referencelaboratoriets udkast til rapport til orien-

tering.

./.

Resultater af parallelprøvningerne for TN og TP vedlægges.

Bestilling

DCE bedes udarbejde et teknisk notat, som forholder sig til de gennemførte parallelanalyser, resul-

taterne heraf samt vurderingen af konsekvenserne for anvendelse af pågældende TN- og TP-data i

NOVANA-rapporteringen. Endvidere ønskes i relation til vandmiljøforvaltningen efter Vandram-

medirektivet, DCE's vurdering af betydningen af de afvigende analyser for den beregnede målbe-

lastning mv.

Konkret ønskes følgende:



Vurdering af om de gennemførte parallelanalyser giver et retvisende billede af, hvorvidt der

kan forventes afvigelser på analyseresultater, samt i givet fald størrelsen af afvigelser mellem

de to oxidationsmetoder "autoklavering" og "UV-metoden".

Vurdering af, hvorvidt der fagligt kan opstilles modeller for korrektion af analysedata og om

dette ud fra et fagligt synspunkt anbefales gjort.

Vurdering af om og i givet fald hvordan de konstaterede afvigelser har haft betydning for gen-

nemførte NOVANA-rapporteringer, opgørelse af økologisk tilstand og målbelastning i vand-

områdeplanerne, samt dataindberetninger til EU, ICES m.fl.

Endelig bedes i vurderingerne indgå de anvendte analysemetoder i forhold til andre landes

(Sverige og Tyskland samt evt. Norge) analysemetoder for TN og TP.

Miljøstyrelsen skal anmode om at det tekniske notat fra DCE foreligger senest tirsdag den 23. ja-

nuar 2018.