Ein Teufelskreis aus Sauerstoffverlust bedroht die Wasserqualität in Seen

Wissenschaftler haben kürzlich bestätigt, dass die Seen der Welt schnell Sauerstoff verlieren. Mit einer siebenjährigen Studie über das gesamte Ökosystem hat ein Team von Süßwasserwissenschaftlern an der Virginia Tech als eines der ersten den nächsten Schritt unternommen, um zu fragen: Was bedeutet es für die Wasserqualität, dass der Sauerstoff weltweit abnimmt?

Das mit Sedimenten klebrige Grundwasser von Seen ist mehr als seine tiefste, dunkelste Schicht. Sie begraben große Teile des Kohlenstoffs, Stickstoffs und Phosphors, die in Abflüssen gefunden werden, die vom Land hereinrollen. Als eine der kritischen Nährstoffsenken der Natur verdienen Seen ihre Anerkennung als „Wächter“ ihrer Umgebung, sagte der Süßwasserwissenschaftler Cayelan Carey.

„Wir betrachten Seen als Wächter, weil sie wirklich alle Veränderungen an Land integrieren“, sagte Carey, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften am Virginia Tech College of Science und angeschlossener Wissenschaftler am Fralin Life Sciences Institute. „Seen leisten diese wirklich großartige Arbeit, indem sie all diesen Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor aufnehmen und verarbeiten und verhindern, dass sie stromabwärts fließen und den Ozean erreichen.“

Aber diese Arbeit könnte durch Anoxie, den Verlust der Sauerstoffverfügbarkeit, abgebaut werden, fand Careys Team in einer Studie heraus, die diese Woche in veröffentlicht wurde Biologie des globalen Wandels. Von Wissenschaftlern seit Jahren gefürchtet und kürzlich durch Daten aus Hunderten von Seen als weit verbreitet bestätigt, saugt Anoxie Sauerstoff aus den Süßgewässern der Welt.

Es ist ein Phänomen, das mit der durch den Klimawandel verursachten Erwärmung der Gewässer und dem übermäßigen Abfluss von Schadstoffen aus der Landnutzung zusammenhängt. Erwärmung des Wassers verringert die Kapazität des Süßwassers, Sauerstoff zu halten, während der Abbau von Nährstoffen im Abfluss durch Süßwassermikroben Sauerstoff verschlingt.

In einem siebenjährigen Feldexperiment, bei dem der Sauerstoffgehalt im Grundwasser eines nahe gelegenen Reservoirs manipuliert wurde, stellte Careys Team fest, dass mit anoxischen Bedingungen die erwarteten Effekte einhergingen: Die Sedimente setzen viele Nährstoffe und Kohlenstoff frei. Aber sie waren nicht so gut auf das Ausmaß der Veränderungen vorbereitet. Sie beobachteten, wie der See von einer Senke – die mehr Nährstoffe und Kohlenstoff speichert, als er exportiert – zu einer flussabwärts gelegenen Nährstoffquelle überging, wodurch ein Kreislauf begann, in dem Anoxie in einem See Anoxie in einem anderen erzeugen konnte.

„Ich hatte nicht erwartet, dass sich die Wasserchemie so stark verändern würde“, sagte Carey. „Und um es konsistent zu sehen und es über die sieben Jahre der Studie zu sehen – die Wirkung von Anoxie war um mehrere Größenordnungen größer als das, was ich ursprünglich vorhergesagt hatte.“

Verschmelzung von Süßwasser und Datenwissenschaft

Um diese Entdeckungen zu machen, stützte sich das Team auf das Design eines Experiments, das in gewisser Weise neuartig war. Es musste im Maßstab des gesamten Ökosystems durchgeführt werden, nicht nur mit Proben, die in einem Labor oder in kleinen Gehegen des Grundwassers eines Sees getestet wurden, sondern mit Zugang zum gesamten Gewässer. Careys Team führte Feldexperimente im Falling Creek Reservoir in Vinton, Virginia durch, wo Teammitglieder den Sauerstoffgehalt im Grundwasser des Sees manipulierten, indem sie ein ausgeklügeltes Sauerstoffanreicherungssystem verwendeten, das Wasser vom Boden abziehen und gelösten Sauerstoff in übersättigten Konzentrationen an Land injizieren konnte , und führen Sie das mit Sauerstoff angereicherte Wasser zum Boden zurück, ohne die Wassertemperatur zu verändern.

Nur den Sauerstoffgehalt im Grundwasser zu manipulieren und so die Auswirkungen von denen der Temperaturänderung zu entwirren, sei entscheidend für das Verständnis der Auswirkungen von Anoxie, sagte Carey, ein Roger Moore und Mojdeh Khatam-Moore Faculty Fellow am College of Science. „Indem wir Sauerstoff manipulieren, ohne die Temperatur zu verändern, können wir verstehen und isolieren, was seine Auswirkungen sein werden. Wir können wirklich sagen, dass das, was wir sehen, das Ergebnis eines sich ändernden Sauerstoffs ist und nicht auf andere äußere Faktoren zurückzuführen ist, die im See auftreten.“

Die Analyse der Auswirkungen von Anoxie endet jedoch nicht damit, den Sauerstoffgehalt zu erhöhen oder zu senken und die Wasserchemie zu überwachen. Bei einem Feldexperiment gibt es immer Daten, die Sie brauchen, aber nicht sammeln können, sagte Carey. Es ist schwierig, „diese wesentlichen Sediment-Wasser-Wechselwirkungen“ zu beproben und zu messen, ohne sie im Feld zu stören. Es gibt auch das Problem der Logistik: Carey konnte nicht sieben Sommer lang jeden Tag jemanden schicken, um Daten zu sammeln.

Also fütterte das Team die gesammelten Daten in ein Modell, das Carey als „Videospiel eines Sees“ beschreibt, das diese wichtigen, aber kniffligen Interaktionen simulierte. „Dem Videospiel lag eine Reihe von Gleichungen zugrunde, die wir manipulieren konnten, um zu verstehen, welche Prozesse am wichtigsten waren, wenn das Reservoir niedrige oder hohe Sauerstoffwerte aufwies“, sagte sie.

Das Modell ermöglichte es dem Team auch, stündlich Daten abzurufen. „Dadurch konnten wir wirklich verstehen, wie schnell der See auf Änderungen des Sauerstoffgehalts reagierte“, sagte Carey.

Ein Rollentausch

Die Forscher beobachteten enorme Veränderungen der Nährstoffkonzentrationen, die bei Anoxie aus dem Grundwasser freigesetzt werden, einschließlich einer sechsfachen Zunahme des Stickstoffexports. Im Laufe der Zeit entwickelte sich der See von einer Nettosenke für Phosphor und Kohlenstoff zu einer Nettoquelle beider Nährstoffe für stromabwärts gelegene Gewässer.

„Was wir gesehen haben, war, dass der See seine wichtige Aufgabe, als Senke für Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor zu dienen, nicht erfüllen konnte, wie er es getan hätte, wenn dort Sauerstoff vorhanden wäre“, sagte Carey. „Die Veränderungen waren für alle drei Elemente einzeln wirklich bemerkenswert, aber wir haben gesehen, dass sich die Fähigkeit des Sees, als diese Senke zu dienen, insgesamt wirklich verändert hat.“

All dieser Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor, der einmal am Grund vergraben war, wurde nicht nur nach oben in die Wassersäule freigesetzt – was möglicherweise giftige Algenblüten nährt, Süßwasser-Wildtiere schädigt und Stauseen als Trinkwasserquellen beeinträchtigt –, sondern die Nährstoffe wanderten stromabwärts , erklärte Carey. Hierin liegt der Teufelskreis von Sauerstoffmangel, der Sauerstoffmangel erzeugt: Je mehr Nährstoffe andere Seen, Flüsse und Bäche erreichen, desto mehr Sauerstoff verbrauchen die Mikroben jedes Gewässers, um sie abzubauen.

Das Wissen um die Schwere dieser Auswirkungen sollte uns dazu bewegen, gegen die Landnutzung vorzugehen, glaubt Carey. „Unsere Studie deckt diesen Mechanismus auf, durch den flussaufwärts gelegene Seen flussabwärts gelegene Seen schädigen, und wenn dies auf breiter Ebene geschieht, müssen wir im Grunde alles tun, um die Seen vor noch mehr Phosphor, Düngemitteln und Sedimenten zu schützen“, sagte sie. „Ich hoffe, wir können mit den Leuten ein Feuer entzünden. Diese Prozesse finden statt, von denen wir nicht einmal wussten.“