Азот — это своего рода головоломка. В газообразном состоянии это самый распространённый элемент в атмосфере, но лишь немногие организмы могут его использовать. И хотя все живые организмы содержат азот, новое исследование Университета Вермонта показывает, что даже небольшие его количества могут способствовать цветению цианобактерий и нарушать экосистемы озёр.
Кэтилинн Уорнер, бывший докторант Школы окружающей среды и природных ресурсов Университета Вермонта и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале «Лимнология и океанология», говорит: «Когда мы думаем о озёрах и о том, что их питает, в частности, цианобактерии, исторически считалось, что проблема заключается в фосфоре».
Исторически сложилось так, что избыток фосфора был причиной цветения цианобактерий в озере Шамплейн, что приводило к закрытию пляжей и стимулировало усилия по мониторингу. Новое исследование Университета Вермонта подчёркивает важность понимания роли, которую азот играет в формировании токсичных цветений водорослей.
Цианобактерии — одна из древнейших форм жизни на Земле. Это фотосинтезирующие организмы, обитающие в водной среде. Проблема возникает, когда популяции цианобактерий, часто называемых сине-зелёными водорослями, выходят из равновесия. Это может произойти, когда в озёрную систему попадают стоки, содержащие фосфор и азот.
Цианобактерии используют эти питательные вещества для экспоненциального размножения, создавая цветения, которые перекрывают солнечный свет и кислород для рыб и других форм жизни в воде. Они становятся особенно опасными, когда их вызывают виды цианобактерий, производящие токсины, вредные для человека и дикой природы.
«Цветения не повсеместны, они не одинаковы каждый раз», — говорит Уорнер. «Есть разные факторы, которые приводят к выработке токсинов и развитию цветений».
Во время своей докторской работы в Университете Вермонта Уорнер изучала факторы окружающей среды, влияющие на цветение цианобактерий и тяжесть производства токсинов в озере Шамплейн. В 2021 году вместе с командой исследователей Университета Вермонта Уорнер собирала еженедельные пробы воды в заливах Сент-Олбанс и Миссискуи, чтобы проверить наличие фитопланктона, цианотоксинов и питательных веществ. Они использовали высокочастотные буи, оснащённые датчиками, для сбора полных профилей водной толщи каждые 15 минут, включая уровень кислорода и pH, температуру воды, мутность и метеорологические показания, такие как скорость ветра и температура воздуха.
Данные позволяют учёным в очень короткие сроки узнать, что происходит в бассейне, и оценить активность во время цветения цианобактерий, которую еженедельный мониторинг может не уловить, объясняет Уорнер.
Поскольку заливы Сент-Олбанс и Миссискуи неглубокие и связаны с двумя разными водосборными бассейнами, учёные могли проанализировать, как разные озерные динамики влияют на развитие цветения. Исследование было сосредоточено на двух распространённых видах цианобактерий, обнаруженных в озере — Microcystis и Dolichospermum — и исследовало образцы на наличие различных цианотоксинов. Хотя они обнаружили низкие концентрации токсинов во время цветения, были различия в биомассе, вероятно, вызванные небольшим количеством азота, поступающего в систему.
«Мы видели, что в заливе Миссискуи азота в некоторых случаях было вдвое больше, чем в заливе Сент-Олбанс», — говорит Уорнер. «И это могло привести к такой сильной разнице в биомассе цветения, возможно, потому, что у них были дополнительные питательные вещества для роста».
Как и все формы жизни, цианобактерии конкурируют за ограниченные ресурсы. Они специализируются на связывании ценных питательных веществ, таких как фосфор и азот, из воздуха и воды. Некоторые из них адаптировались к хранению избытка питательных веществ, включая азот из атмосферы. Но это дорогостоящее занятие.
«Чтобы сделать это, требуется много энергии, но это может дать им конкурентное преимущество для роста [при благоприятных условиях]», — объясняет Уорнер.
Представьте себе снежный шар. Когда он не потревожен, снег оседает на дно, пока вода внутри не взболтается, перемешивая частицы по всей воде. То же самое происходит с осадком в озёрах. Только когда меняются условия — из-за температуры, скорости ветра или потока воды — осадок и содержащиеся в нём питательные вещества перемешиваются по всей толще воды и питают цветения цианобактерий. Часто причиной этих цветений является избыток фосфора.
«Мы не уделяем столько внимания азоту, сколько нужно в управлении водными ресурсами и экологии озёр, и это очень важно для определения не только начала цветения, но и состава цветения, токсичности цветения и того, как долго оно продлится», — говорит Ана «Минди» Моралес, доцент Школы окружающей среды и природных ресурсов Университета Вермонта и соавтор статьи.
Учёные могут более легко предсказать, как фосфор повлияет на озёрные системы, но не так хорошо с азотом, говорит она. «Нам действительно нужно понять важность азота, и не только в фундаментальной науке, но и в том, чтобы это было переведено в управление и действия — и это сложно».
Отчасти это связано с тем, что азот настолько нестабилен. Он естественным образом встречается в разных формах и синтетически производится для промышленных и сельскохозяйственных целей. Интересно, что за десятилетия уровни азота в северо-восточной части озера Шамплейн снизились. Однако с 2009 года уровни азота увеличились, причём самые сильные скачки наблюдались в последние годы — вероятно, в результате наводнений, смывающих больше азота в системы, говорит Уорнер.
Но, как показывает их исследование, для того чтобы нанести вред озеру, не требуется много азота. «Если немного азота поступает во время сильных штормов, это может оказать значительное влияние на экологию озера», — говорит Моралес. «Нам просто нужно более критически подходить к тому, как мы управляем азотом — потому что мы на самом деле не занимаемся этим».
В более глубоких частях озера Шамплейн вода разделяется на слои, которые перемешиваются два раза в год — весной и осенью. Более мелкие воды, такие как залив Миссискуи, более восприимчивы к перемешиванию из-за активности ветра. Это перемешивание может подпитывать цветения или разрушать их в зависимости от условий в озере и времени формирования цветения цианобактерий. Волны тепла или экстремальные осадки — явления, прогнозируемые для увеличения в Вермонте в связи с изменением климата — также могут усугубить цветения.
«Цианобактериям нравятся стабильные спокойные условия», — объясняет Моралес. «Но если у вас есть повторяющиеся импульсы и события перемешивания, это может удерживать их в экспоненциальной фазе цветения, когда всё просто продолжает циркулировать, давая им больше питательных веществ, стабилизируя и циркулируя».
Несмотря на высокий уровень биомассы, производимой во время цветения цианобактерий, учёные Университета Вермонта обнаружили низкие концентрации токсинов. Хотя это хорошая новость, это не значит, что вода обязательно безопасна для купания. «То, что мы не обнаружили токсины в ходе скрининговых исследований, не означает, что эти цветения не токсичны и действительно опасны», — предупреждает Моралес.
Уорнер планирует вернуться в Университет Вермонта для прохождения постдокторской стажировки, чтобы ответить на некоторые нерешённые вопросы. Она будет использовать как высокочастотный, так и биоеженедельный отбор проб из четырёх участков вдоль озера Шамплейн, чтобы лучше понять, как азот влияет на производство и токсичность цианобактерий. Она стремится определить, способны ли доминирующие формы цветения в озере Шамплейн вырабатывать цианотоксины.
«У вас могут быть штаммы этих видов, способные вырабатывать токсины, а у других — нет, но вы не сможете отличить их, просто взглянув на них», — говорит Уорнер. «У вас могут быть две колонии одного и того же вида, которые морфологически идентичны… [но] вам нужно углубиться в ДНК и нацелиться на эти гены, чтобы увидеть, есть ли они в их геноме».
Уорнер будет использовать генетическое тестирование, чтобы определить, какие виды цианобактерий присутствуют, какие гены у них есть и какие экспрессируются в различных условиях окружающей среды. Она также проведёт лабораторные эксперименты, чтобы узнать, что происходит при изменении температуры и нагрузки питательными веществами. Некоторые цианобактерии могут выпадать из популяции, в то время как другие будут процветать.
«Есть ли в этом цветении другие виды? — задаётся вопросом Уорнер. — Есть ли другие питательные вещества или другие факторы, которые ограничивают выработку токсинов?»
И, наконец, как мы можем управлять этими вредными цветениями?
Предоставлено Университетом Вермонта.