Постепенные изменения окружающей среды из-за эвтрофикации и глобального потепления могут вызвать быстрое снижение уровня кислорода в озерах и прибрежных водах. Новое исследование под руководством профессоров Джефа Хьюсмана и Джерарда Мюйзера из Амстердамского университета (UvA) показывает, что микроорганизмы играют ключевую роль в этих катастрофических изменениях режима. Выводы исследователей были опубликованы в журнале Nature Communications 6 октября.
Сдвиги режима - это резкие, крупные и устойчивые изменения в структуре и функциях экосистем, вызванные постепенными изменениями условий окружающей среды. Сдвиги режима были описаны для большого разнообразия экосистем. Один тип смены режима может происходить в озерах и прибрежных водах, когда быстрое истощение концентрации растворенного кислорода приводит к недостатку кислорода, губительному для большинства водных организмов. Хотя это явление хорошо известно, основные механизмы, вызывающие переход от кислородных условий к бескислородным, до конца не изучены.
Ученые из UvA и Эдинбургского университета разработали математическую модель для исследования взаимодействия между видовым составом микробов и концентрацией растворенного кислорода. Они обнаружили, что озера могут находиться в двух альтернативных устойчивых состояниях: в одном озеро богато кислородом, а в другом - его не хватает. Переходы из кислородного в бескислородное состояние происходят в виде смены режима. «Когда приток кислорода постепенно уменьшается, сначала все еще сохраняются цианобактерии и водоросли, производящие кислород, и озеро остается в кислородном состоянии», - объясняет первый автор Тим Буш.«Однако ниже критического порога берут верх сульфатредуцирующие бактерии и фотосинтезирующие серобактерии. Это вызывает увеличение концентрации сульфидов, что затем убивает цианобактерии и быстро переводит озеро из кислородного в бескислородное состояние.
Одним из последствий этого изменения режима является то, что вернуться к условиям, богатым кислородом, нелегко. Система показывает гистерезис. Как только вода становится бескислородной, высокие концентрации сульфидов, поддерживаемые анаэробными серными бактериями, стабилизируют бескислородные условия. В результате для возврата к прежним кислородным условиям требуется гораздо больший приток кислорода, чем приток, который первоначально привел систему в бескислородное состояние.
Исследователи наблюдали за небольшим озером с сезонной аноксией в более глубоких слоях воды, чтобы проверить эти предсказания модели. В озере наблюдался гистерезис при переходе между кислородными и бескислородными условиями, при этом изменения в составе микробного сообщества соответствовали предсказаниям модели. Подобные явления наблюдались в эвтрофированных прибрежных водах, где бескислородные условия и высокие концентрации сульфидов привели к массовой гибели рыб, моллюсков и многих других видов. Авторы указывают, что подобные сдвиги кислородно-аноксического режима, вероятно, происходили в глобальном масштабе в геологическом прошлом Земли, когда обширные районы океана истощались кислородом в периоды глобального потепления и высоких концентраций CO2 в атмосфере. По словам профессоров Хьюсмана и Мюйзера, некоторые аспекты до сих пор полностью не изучены или не могут быть подробно оценены количественно. Однако эти результаты предупреждают о том, что продолжающаяся эвтрофикация и потепление озер и морей могут подтолкнуть эти экосистемы к критической критической точке, вызывая быстрые переходы от кислородных к бескислородным условиям, которые нелегко обратить вспять.