Под поверхностью озёр и прибрежных вод скрывается скрытый мир осадков, который играет решающую роль в здоровье водных экосистем. «Бентические потоки» азота и фосфора, такие как выделение этих растворённых питательных веществ из осадков в надлежащую воду, могут стимулировать рост водорослей и токсичные вредоносные цветения водорослей (ВЦА), которые ухудшают качество воды, нарушают жизнь диких животных и рекреационную деятельность, а также снижают стоимость недвижимости.
Осадки действуют как естественный архив, предлагая историческую информацию о состоянии экосистемы. Однако для полного понимания обмена питательными веществами между осадками и водой учёные полагаются на измерения бентических потоков, например, на количество азота, переносимого через границу раздела «осадок-вода» в обычных единицах измерения — фунтах на квадратный метр площади осадка в сутки.
Традиционные методы мониторинга медленные, дорогостоящие и сложные. Хотя новые автономные системы многообещающие, мало исследований было посвящено тому, как эти системы могут показать, как осадки способствуют возникновению ВЦА или поддерживают их — важный шаг в управлении и защите водных экосистем.
Например, в озере Окичоби во Флориде бентические потоки питательных веществ являются основным источником питательных веществ, стимулирующих рост водорослей в этом мелководном мутном водоёме.
Исследователи из Океанографического института Harbour Branch при Атлантическом университете Флориды первыми начали непрерывно отслеживать обмен различными формами азота между донными осадками и надводной водой. Их новый подход позволяет измерять, сколько аммония (NH₄⁺) высвобождается из осадков в режиме реального времени, несколько раз в день в течение длительного периода, что даёт беспрецедентный детальный обзор этого критически важного обмена питательными веществами и предпочтительного источника питательных веществ для цветения водорослей.
Их секретное оружие — новое устройство под названием CAROSEL
CAROSEL — это умная подводная система мониторинга, разработанная для изучения того, как питательные вещества и другие химические вещества перемещаются между озерными или океанскими осадками и водой над ними. В отличие от старых методов, которые требовали двух поездок на лодке (или корабле) и рабочей силы для развёртывания и извлечения пакетов с приборами для получения только одной временной точки данных о бентических потоках, CAROSEL работает автоматически, производя множественные измерения каждый день без помощи человека в течение нескольких недель.
Для исследования учёные испытали CAROSEL в мелководном пресноводном водоёме на территории кампуса Harbour Branch в Форт-Пирсе. Целью было лучше понять взаимодействие питательных веществ и кислорода в течение дня и многодневных циклов, что позволило бы лучше понять общее количество доступного азота в зависимости от времени суток и погоды. Однако это также улучшило оценки количества питательных веществ, удалённых из этой системы водоёмов с течением времени.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Limnology & Oceanography, также показывают, что потоки кислорода в воде следовали суточному ритму: увеличивались в течение дня за счёт фотосинтеза и уменьшались ночью из-за дыхания. Напротив, осадки последовательно потребляли кислород из воды над ними.
Осадки также выделяли NH₄⁺ на протяжении всего исследования, в то время как в толще воды наблюдались признаки добавления азота в течение дня и его разрушения ночью — удивительный вывод, учитывая, что фотосинтетический рост в течение дня должен был потреблять питательные вещества.
После ливней потоки NH₄⁺ и нитратов быстро менялись, показывая, насколько чувствительны эти процессы к окружающей среде. Также было ясно, что удаление азота за счёт нитрификации/денитрификации — основного процесса, желаемого в этих системах Best Management Practice (BMP), — было интенсивным, но также сильно варьировалось во времени.
Уникально то, что CAROSEL зафиксировала высокочастотные данные в режиме реального времени, выявив резкие краткосрочные колебания в обмене питательными веществами и кислородом. Эти результаты опровергают распространённое мнение о том, что процессы в осадках происходят медленно или стабильно, и подчёркивают, как инструменты, подобные CAROSEL, могут раскрыть скрытые динамические силы, формирующие качество воды.
«Что особенно интересно, так это то, что CAROSEL предоставила нам детальный, поминутный обзор того, как погода и экологические изменения напрямую влияют на химию между дном озера и водой над ним», — сказал Джордон Беклер, доктор философии, старший автор, доцент-исследователь в Harbour Branch и научный сотрудник FAU Sensing Institute (I-SENSE).
«Такой уровень детализации помогает нам распутать сложные цепные реакции, происходящие в озёрах и эстуариях — то, что до сих пор было невероятно сложно сделать с такими низкоразрешающими традиционными данными о бентических потоках. Мы рассматриваем эту технологию как мощный новый инструмент для понимания того, как эти потоки управляют динамикой экосистем, особенно учитывая взрыв вредоносных цветений водорослей во всём мире за последние несколько десятилетий».
«Я вижу в осадках, которые покрывают около 70% поверхности Земли, следующее водное, почвенное или воздушное пространство, для которого мы уже разработали понимание необходимости их сохранения».
Детальный обзор поможет учёным понять, как быстро происходит круговорот питательных веществ и как такие факторы, как свет, температура и штормы, влияют на эти изменения — ключ к улучшению мониторинга и управления качеством воды. CAROSEL демонстрирует большой потенциал в качестве инструмента для отслеживания и реагирования на такие проблемы, как загрязнение питательными веществами, ВЦА, «мёртвые зоны» с низким содержанием кислорода, углеродный цикл и даже органические и тяжёлые металлические загрязнители в условиях меняющейся окружающей среды.
«Что делает CAROSEL особенно ценной, так это её универсальность — она предназначена для работы как в пресной, так и в морской среде и может быть адаптирована для мониторинга широкого спектра веществ, от питательных веществ, таких как аммоний и нитрат, до других параметров, таких как углекислый газ или растворённый органический углерод», — сказал Мейсон Тэкстон, первый автор и ассистент-исследователь в Harbour Branch.
«Такая гибкость означает, что мы можем адаптировать систему к различным экосистемам и исследовательским потребностям. Я сейчас готовлюсь к двум новым проектам: один — для установления базового уровня бентических потоков питательных веществ в районе, запланированном для дноуглубительных работ в Северной лагуне реки Индиан, а другой — для прямого мониторинга унаследованных потоков питательных веществ в озере Окичоби. Мы также видим большие перспективы в улучшении нашего понимания динамики питательных веществ в BMP во Флориде, которые в настоящее время работают неэффективно по сравнению с ожиданиями».
Соавторы исследования — Дональд Нуззио, доктор философии, президент компании Analytical Instrument Systems, Inc.; и Чаба Вацо, инженер-механик в Harbour Branch при Атлантическом университете Флориды.
Предоставлено:
[Florida Atlantic University](https://phys.org/partners/florida-atlantic-university/)