В конце весны 2015 года на западном побережье Северной Америки произошло одно из самых токсичных цветений водорослей за всю историю наблюдений. Цветение затронуло диких животных, в том числе анчоусов, морских птиц и морских львов, и привело к закрытию коммерческого рыболовства от Калифорнии до Вашингтона. Ученые быстро выяснили, что налет состоит из диатомовых водорослей рода Pseudo-nitzschia, но они не могли сказать, почему эти водоросли стали такими токсичными. Новая статья в Geophysical Research Letters показывает, что, по крайней мере, в заливе Монтерей, диатомовые водоросли в этом цветении стали особенно токсичными из-за необычно низкого соотношения силикатов и нитратов в водах залива.
Некоторые виды диатомовых водорослей Pseudo-nitzschia производят сильнодействующий нейротоксин, называемый домоевой кислотой, который может вызывать судороги и смерть у млекопитающих. Предыдущее цветение этих диатомовых водорослей в 1991 и 1998 годах вызвало отравление и привело к гибели многочисленных морских птиц и морских львов в заливе Монтерей. Однако исследователи все еще пытаются выяснить, почему некоторые цветки Pseudo-nitzschia более токсичны, чем другие.
Цветение Pseudo-nitzschia 2015 года совпало с крупномасштабным биологическим экспериментом в заливе Монтерей под названием «Экология и океанография вредоносного цветения водорослей» (ECOHAB). Во время этого эксперимента ученые из MBARI, Калифорнийского университета в Санта-Круз, Морских лабораторий Moss Landing и Национального управления океанических и атмосферных исследований измерили океанографические условия, а также концентрации псевдоницшиа и домоевой кислоты по всему заливу Монтерей.
Во время эксперимента ECOHAB исследовательская группа отправила подводных роботов, путешествующих по заливу. Датчики на борту роботизированных транспортных средств выявили чрезвычайно высокие концентрации токсичных диатомовых водорослей Pseudo-nitzschia, скрывающихся под поверхностью. Исследователи также закрепили два роботизированных прибора для молекулярной биологии (обработчики проб окружающей среды или ESP) возле северной и южной оконечностей залива. ЭСП подтвердили, что налет состоял в основном из одного особенно токсичного вида, Pseudo-nitzschia australis, и что эти диатомовые водоросли содержали необычно высокие концентрации домоевой кислоты. Результатом стала смертельная комбинация: плотные популяции особо токсичных диатомовых водорослей.
Джон Райан, океанограф MBARI и ведущий автор недавней статьи, хотел знать, какие факторы повлияли на рост и токсичность цветения 2015 года в заливе Монтерей. Работая с командой ECOHAB, он изучил физические и химические условия, предшествовавшие цветению 2015 года, и сравнил эти данные с условиями, измеренными в предыдущие годы.
Райан сначала рассмотрел возможность того, что необычно теплые океанские воды могли сыграть роль в цветении. С 2014 по 2016 год поверхностные воды в северо-восточной части Тихого океана были намного теплее, чем обычно - явление, получившее название «теплая капля». Но после сравнения условий 2015 года с историческими данными Райан обнаружил, что воды в заливе Монтерей не были необычно теплыми во время цветения. Теплая вода действительно воздействовала на залив до и после цветения, но весной 2015 года воды охлаждались местным апвеллинг.
Апвеллинг возникает, когда сильные северо-западные ветры отодвигают поверхностные воды от берега, позволяя холодной глубокой воде, богатой нитратами, силикатами и другими питательными веществами, подниматься к поверхности моря. Поскольку эти питательные вещества действуют как удобрение для морских водорослей, апвеллинг часто приводит к цветению диатомовых водорослей. Весной в заливе Монтерей часто встречается апвеллинг.
Весной 2015 года очень сильный апвеллинг в конце марта инициировал цветение Pseudo-nitzschia. За этим последовало несколько более мягких событий, которые омолодили популяции диатомовых водорослей, позволив дрейфующим водорослям сохраняться и накапливаться в заливе. Эти физические факторы помогли объяснить высокую концентрацию водорослей в бухте, но не объяснили, почему эти водоросли содержат так много домоевой кислоты.
Далее Райан и его коллеги изучили химический состав залива, сосредоточив внимание на концентрации двух ключевых питательных веществ - нитратов и силикатов. Диатомовые водоросли нуждаются в нитратах для широкого спектра биохимических процессов, включая производство домоевой кислоты. Для роста и размножения им нужен силикаты.
Исследователи MBARI измеряют нитраты и силикаты в заливе Монтерей почти каждый месяц в течение последних 24 лет. Изучив этот уникальный набор данных, Райан обнаружил, что в нормальных весенних условиях в заливе Монтерей силикатов больше, чем нитратов. Однако в месяцы, предшествовавшие весеннему цветению 2015 года и во время него, в водах залива было больше нитратов, чем силикатов. На самом деле, на пике цветения Pseudo-nitzschia в мае силикатов в воде практически не осталось (вероятно, диатомовые водоросли съели их весь), но некоторое количество нитратов все же осталось.
Обращаясь к научной литературе, исследователи обнаружили лабораторные и полевые исследования, показывающие, что диатомовые водоросли Pseudo-nitzschia могут стать более токсичными, если у них закончились силикаты, но все еще есть доступные нитраты. В этих условиях диатомовые водоросли не могут быстро размножаться, но они все же могут производить домоевую кислоту. Диатомовые водоросли размножаются путем деления пополам, поэтому любая домоевая кислота в родительской клетке делится между двумя дочерними клетками. Но когда низкое соотношение силикатов и нитратов приводит к менее частому размножению, домоевая кислота может концентрироваться в отдельных диатомовых водорослях.
Исследователи пришли к выводу, что чрезвычайно высокая популяция Pseudo-nitzschia в 2015 году была связана с силой и временем апвеллинга. Но чрезвычайно высокие концентрации домоевой кислоты, вероятно, были вызваны необычным химическим составом океана, а именно низким соотношением силикатов и нитратов в водах залива.
Поскольку необычный химический состав вод залива совпал с крупномасштабным потеплением в северо-восточной части Тихого океана, исследователи подозревают, что между этими двумя явлениями может быть связь. Однако у них недостаточно данных о химическом составе океана за пределами залива Монтерей, чтобы конкретизировать эту связь.
Размышляя о недавней статье, Райан сказал: «Один из выводов этого исследования заключается в том, что нам нужны хорошие химические, а также физические данные, чтобы понять и предсказать вредоносное цветение водорослей. В этом случае питательный силикат оказался быть ключевым фактором. Однако другие питательные вещества, такие как мочевина (в сточных водах), также могут влиять на токсичность этих водорослей. Мы с нетерпением ждем применения наших новых технологий для мониторинга биологических, физических и химических условий в прибрежных водах океана. Это поможет нам понять и в конечном итоге предсказать, когда и где может произойти вредоносное цветение водорослей».