Роботизированные лаборатории на дне озера Эри показали, что илистые отложения там выделяют почти столько же питательного фосфора в окружающие воды, сколько поступает в центральный бассейн озера каждый год из рек и их притоков.

Избыток фосфора, главным образом из сельскохозяйственных источников, способствует ежегодному летнему цветению цианобактерий, которые поражают западный бассейн озера Эри и ежегодную "мертвую зону" центрального бассейна-область, испытывающую кислородное голодание, покрывающую несколько тысяч квадратных миль дна озера и сокращающую среду обитания для рыб и других организмов.

Высвобождение фосфора из отложений озера Эри в периоды низкого содержания кислорода—явление, известное как самооплодотворение или внутренняя нагрузка,-было признано с 1970—х годов. Но новое исследование, проведенное под руководством Мичиганского университета, знаменует собой первый случай, когда этот процесс отслеживался шаг за шагом в течение всего сезона с помощью датчиков дна озера.

Авторы нового исследования, опубликованного 18 февраля в журнале Environmental Science & Technology Water, говорят, что самооплодотворение, вероятно, увеличивает тяжесть мертвой зоны центрального бассейна озера Эри и может затруднить его контроль в будущем, поскольку климат продолжает нагреваться.

"До сих пор нам не хватало доказательств, чтобы точно определить, когда и где это явление происходит в озере Эри и насколько оно способствует питательным веществам в озере",-сказала ведущий автор исследования Ханна Андерсон, научный сотрудник Кооперативного института исследований Великих озер U-M, который работал над магистерской диссертацией в Школе окружающей среды и устойчивого развития.

"Эти новые измерения позволили нам оценить, что этот процесс самооплодотворения вносит до 11 000 метрических тонн фосфора в воду озера каждое лето, что близко к общему годовому стоку фосфора из рек и притоков в центральную часть озера",-сказал Кейси Годвин, помощник научного сотрудника института и соавтор статьи.

Усилия по борьбе с загрязнением озера Эри питательными веществами, или эвтрофикацией, были сосредоточены на сокращении количества богатого фосфором стока с ферм и других источников, поступающего в озеро из рек и их притоков. В 2016 году правительства США и Канады приняли целевой показатель сокращения потребления фосфора на 40%.

Авторы нового исследования воды в области науки и техники окружающей среды говорят, что также необходимо учитывать самоудобрение фосфором (Р), выделяемым из донных отложений озер.

"Менеджеры по охране окружающей среды, которым поручено снижение нагрузки притока, должны учитывать оценки внутренней нагрузки при определении того, как сбалансировать общую нагрузку Р", - писали они. "Историческая и стойкая нагрузка отложений Р представляет собой замедленную реакцию озера на эвтрофикацию и препятствует успешному управлению системой, когда рассматривается только внешняя нагрузка Р."

В дополнение к нескольким ученым U-M авторы статьи включают исследователей из Лаборатории экологических исследований Великих озер Национального управления океанических и атмосферных исследований. Ученые U-M и сотрудники CIGLR сотрудничают с NOAA GLERL в ряде подобных проектов.

Исследователи развернули две небольшие автономные лаборатории на дне озера в центральном бассейне озера Эри-одну на глубине 67 футов, а другую на глубине 79 футов—в конце июля 2019 года и оставили их там более чем на два месяца.

Автономные химические лаборатории, изготовленные компанией SeaBird Scientific и принадлежащие сотрудникам NOAA, представляют собой цилиндры длиной 22 дюйма и шириной 7 дюймов. Лаборатории и их батареи помещались внутри защитного стального каркаса, который спускался с кормы корабля. Металлическая клетка была прикреплена к 150-фунтовому грузу и двум белым поплавкам, которые удерживали ее на дне.

Автономные анализаторы были запрограммированы на измерение концентрации фосфора в воде каждые шесть часов. Они также контролировали температуру воды и уровень растворенного кислорода. На каждом участке было проведено более 300 измерений фосфора, прежде чем приборы были извлечены в начале октября.

Этот ранее недоступный набор данных дал некоторые удивительные результаты.

Например, более ранние исследования показали, что питательные вещества начинают вытекать из донных отложений озера, когда концентрация растворенного кислорода в окружающих водах падает до очень низкого уровня, что называется гипоксией.

Но химические роботы показали, что поток фосфора не начинается во время гипоксии—даже когда уровень кислорода падает ниже точки, где рыба может выжить.

Вместо этого "положительный поток Р" из донных отложений начался через 12-24 часа после того, как уровень растворенного кислорода в донной воде озера упал до нуля, что называется аноксией. На двух участках центрального бассейна озера Эри этот период начался в конце лета и продолжался до начала октября.

"В течение 24 часов после того, как кислород полностью исчез, мы зафиксировали быстрое увеличение фосфора в воде, и это продолжалось до тех пор, пока концентрация на дне озера не стала более чем в сто раз выше, чем на поверхности",-сказал старший автор исследования Томас Йохенген, директор Кооперативного института исследований Великих озер U-M.

"Наши выводы о времени высвобождения фосфора относительно уровня кислорода в воде являются первыми в своем роде для Великих озер и представляют собой новое применение этой технологии", - сказал Йохенген.

Зная, когда началось высвобождение фосфора, скорость потока из донных отложений и продолжительность аноксического периода, исследователи смогли оценить общее количество фосфора, добавляемого в центральный бассейн озера Эри каждый год из-за внутренней нагрузки.

Исследователи подсчитали, что донные отложения озера Эри ежегодно выделяют от 2000 до 11 500 метрических тонн фосфора. Верхний предел этого диапазона равен приблизительному годовому притоку фосфора в центральный бассейн озера Эри из рек и притоков: от 10 000 до 11 000 метрических тонн.

Высвобожденный фосфор находится в легкодоступной форме, называемой растворимым реактивным фосфором, или SRP, который, вероятно, питает рост водорослей центрального бассейна. Когда эти водоросли умирают и тонут, бактерии разлагают органическое вещество и потребляют кислород в процессе. В результате в придонных и придонных водах центрального бассейна образовалась кислородная зона, известная как мертвая зона.

"Внутренняя загрузка фосфора из донных отложений озера может стать петлей положительной обратной связи: гипоксия приводит к высвобождению Р из отложений, что вызывает больший рост водорослей, а мертвые и умирающие водоросли потребляют кислород в воде и способствуют гипоксии следующим летом",-сказал Годвин.

"Этот тип обратной связи был замечен в озерах по всему миру, и он взаимодействует с постоянными усилиями по снижению нагрузки фосфора из притоков озера Эри", - сказал он.

По мере того как Великие озера продолжают нагреваться в предстоящие годы из-за антропогенного изменения климата, мертвая зона центрального бассейна озера Эри, как ожидается, будет формироваться раньше и длиться дольше с каждым годом, что приведет к большему запасу фосфора, высвобождаемого из отложений, по мнению авторов исследования.

Нынешнее исследование демонстрирует потенциал использования роботизированных лабораторий для мониторинга этих изменений, а также любых изменений, которые могут произойти из-за уменьшения притока питательных веществ в озеро Эри из рек и притоков, считают авторы. По мнению исследователей, внутренняя нагрузка от отложений центрального бассейна, вероятно, не влияет на интенсивность цветения водорослей западного бассейна озера Эри.

"Миссия NOAA в Великих Озерах включает в себя наблюдение, понимание и прогнозирование важных событий, таких как внутренняя нагрузка. Очень часто разработка и применение передовых технологий, подобных этой, может подтвердить гипотезу или дать новое понимание, которое ранее было невозможно",-сказал соавтор исследования Стив Руберг, старший научный сотрудник Лаборатории экологических исследований Великих озер NOAA.

"Этот важный результат наблюдений будет способствовать сотрудничеству NOAA с Национальным программным управлением EPA по Великим Озерам в рамках Соглашения о качестве воды Великих озер, значительно улучшив наше понимание нагрузки фосфора гипоксической зоны и последующего воздействия на экосистему озера Эри", - сказал Руберг.

ИСТОЧНИК