Роботизированные лаборатории на дне озера Эри обнаружили, что илистые отложения выделяют в окружающие воды почти столько же питательного фосфора, сколько ежегодно поступает в центральный бассейн озера из рек и их притоков.
Избыток фосфора, поступающий в основном из сельскохозяйственных источников, способствует ежегодному летнему цветению цианобактерий, от которого страдают западный бассейн озера Эри и ежегодная «мертвая зона» центрального бассейна, регион с кислородным голоданием, покрывающий несколько тысяч квадратных миль дна озера. и это сокращает среду обитания для рыб и других организмов.
Выброс фосфора из отложений озера Эри в периоды низкого содержания кислорода - явление, известное как самооплодотворение или внутренняя нагрузка - признано с 1970-х годов. Но новое исследование под руководством Мичиганского университета знаменует собой первый случай, когда процесс шаг за шагом отслеживается в течение всего сезона с использованием датчиков дна озера.
Авторы нового исследования, опубликованного в Интернете 18 февраля в журнале Environmental Science & Technology Water, говорят, что самоопыление, вероятно, увеличивает серьезность мертвой зоны центрального бассейна озера Эри и может затруднить ее контроль. в будущем, поскольку климат продолжает нагреваться.
«До сих пор у нас не было доказательств, чтобы точно определить, когда и где это явление происходит в озере Эри и какой вклад оно вносит в питательные вещества в озере», - сказала ведущий автор исследования Ханна Андерсон, техник-исследователь кооператива UM. Институт исследования Великих озер, который работал над магистерской диссертацией в Школе окружающей среды и устойчивого развития.
Эти новые измерения позволили нам оценить, что этот процесс самоопыления добавляет в воду озера до 11 000 метрических тонн фосфора каждое лето, что близко к общему годовому стоку фосфора из реки и притоки в центральную часть озера», - сказал Кейси Годвин, ассистент научного сотрудника института и соавтор статьи.
Усилия по контролю за загрязнением озера Эри питательными веществами или эвтрофикацией были сосредоточены на сокращении количества богатых фосфором стоков с ферм и других источников, которые впадают в озеро из рек и их притоков. В 2016 году правительства США и Канады приняли цель по сокращению выбросов фосфора на 40%.
Авторы нового исследования «Наука и технологии в области окружающей среды» говорят, что также необходимо учитывать самооплодотворение фосфором (P), выделяемым из донных отложений озера.
«Менеджеры по охране окружающей среды, которым поручено снижение дополнительной нагрузки, должны принимать во внимание внутренние оценки нагрузки при определении того, как сбалансировать общую нагрузку фосфора», - написали они.«Историческое и постоянное содержание фосфора в отложениях представляет собой отсроченную реакцию озера на эвтрофикацию и препятствует успешному управлению системой, когда рассматривается только внешнее содержание фосфора».
В дополнение к нескольким ученым из Университета Мексики, авторами статьи являются исследователи из Лаборатории экологических исследований Великих озер Национального управления океанических и атмосферных исследований. Ученые UM и сотрудники CIGLR сотрудничают с NOAA GLERL в ряде проектов, подобных этому.
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 на более длительное время. чем два месяца.
Автономные химические лаборатории, изготовленные SeaBird Scientific и принадлежащие сотрудникам NOAA, представляют собой цилиндры длиной 22 дюйма и шириной 7 дюймов. Лаборатории и их батареи были размещены внутри защитного стального каркаса, спускаемого с кормы корабля. Металлическая клетка была прикреплена к 150-фунтовому грузу и двум белым поплавкам, удерживавшим ее ото дна.
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 содержания фосфора, прежде чем в начале октября устройства были извлечены.
Этот ранее недоступный набор данных привел к некоторым неожиданным выводам.
Например, более ранние исследования предполагали, что питательные вещества начинают вытекать из донных отложений озера, когда концентрация растворенного кислорода в окружающих водах падает до очень низкого уровня, состояние, называемое гипоксией..
Но химические роботы показали, что поток фосфора не начинался во время гипоксии - даже когда уровень кислорода падал ниже точки, при которой рыба может выжить.
Вместо этого «положительный поток фосфора» из отложений начался через 12-24 часа после того, как уровень растворенного кислорода в воде на дне озера упал до нуля, состояние, называемое аноксией. На двух участках центрального бассейна озера Эри этот период начался в конце лета и продолжался до начала октября.
В течение 24 часов после полного исчезновения кислорода мы зафиксировали быстрое увеличение содержания фосфора в воде, и это продолжалось до тех пор, пока концентрация на дне озера не стала более чем в сто раз выше, чем на дне озера. поверхность», - сказал старший автор исследования Томас Йохенген, директор Совместного института исследований Великих озер Университета Мексики.
«Наши выводы о времени выделения фосфора по отношению к уровню кислорода в воде являются первыми в своем роде для Великих озер и представляют собой новое применение этой технологии», - сказал Йохенген.
Знание того, когда началось выделение фосфора, скорость потока из отложений и продолжительность бескислородного периода, позволило исследователям 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 2 000 до 11 500 метрических тонн фосфора. Верхняя граница этого диапазона соответствует 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, которая, вероятно, способствует росту водорослей в центральном бассейне. Когда эти водоросли умирают и тонут, бактерии разлагают органическое вещество и при этом потребляют кислород. Результат: кислородное голодание в придонных и придонных водах центрального бассейна, известное как мертвая зона.
Внутренняя нагрузка фосфором из донных отложений озера может стать петлей положительной обратной связи: гипоксия приводит к высвобождению фосфора из отложений, что вызывает больший рост водорослей, а мертвые и умирающие водоросли потребляют кислород в водой и способствовать гипоксии следующим летом», - сказал Годвин.
"Этот тип обратной связи наблюдается в озерах по всему миру, и он взаимодействует с текущими усилиями по снижению содержания фосфора в притоках озера Эри", - сказал он.
Поскольку Великие озера в предстоящие годы будут продолжать нагреваться из-за антропогенного изменения климата, ожидается, что мертвая зона в центральном бассейне озера Эри будет формироваться раньше и длиться дольше с каждым годом, что приведет к увеличению запасов фосфора. 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 поступления питательных веществ в озеро Эри из рек и притоков, по мнению авторов. По мнению исследователей, внутренняя нагрузка от отложений центрального бассейна, вероятно, не влияет на интенсивность цветения водорослей в западной части озера Эри.
Миссия NOAA в Великих озерах включает в себя наблюдение, понимание и прогнозирование значительных событий, таких как внутренняя нагрузка. Очень часто разработка и применение передовых технологий, таких как эта, 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 офисом программы Великих озер Агентства по охране окружающей среды в рамках Соглашения о качестве воды Великих озер, что значительно улучшит наше понимание нагрузки фосфором в гипоксической зоне и последующего воздействия на экосистему озера Эри, - сказал Руберг.
Помимо Андерсона, Годвина, Йохенгена и Руберга, авторами документа «Наука об окружающей среде и технологии воды» являются Хайди Перселл и Питер Алсип из Совместного института исследований Великих озер Университета Мексики, а также Лейси Мейсон из Национального управления океанических и атмосферных исследований Великих озер. Исследовательская лаборатория.
Работа была поддержана Программой конкурентных исследований Национального центра исследований прибрежных океанов NOAA и в рамках Соглашения о сотрудничестве NOAA с Совместным институтом исследований Великих озер Мичиганского университета.