Исследование предлагает новый путь для фосфорного цикла в Чесапикском заливе
В летние месяцы фосфорный цикл приводит к гипоксии (низкому содержанию кислорода) в придонных водах центральной части Чесапикского залива, что губительно для кислородозависимых организмов. Параллельно этот же цикл вызывает эвтрофикацию поверхностных вод, ведущую к цветению фитопланктона.
В новой статье, опубликованной в журнале Environmental Science and Technology, исследователи из Университета Делавэра и других институтов впервые идентифицировали реминерализацию органического вещества как преобладающий путь фосфорного цикла в Чесапикском заливе. Исследование возглавил аспирант Санендра Джоши.
Реминерализация против ремобилизации
Реминерализация — это процесс цикла, который начинается с разложения органического вещества, в данном случае — цветущего фитопланктона, поглощающего фосфор в эвтрофицированных поверхностных водах. Отмирая, фитопланктон оседает на дно, разлагается и высвобождает фосфор, вызывая гипоксию.
Хотя некоторые считают, что «мертвая зона» в центре Чесапика летом вызвана ремобилизацией питательных веществ (поступлением фосфора из наземных или атмосферных источников), данное исследование указывает, что проблема заключается именно в реминерализации органического вещества.
«Этот процесс реминерализации является более естественным и самоподдерживающимся, нежели прямое поступление фосфора с суши, — сказал Деб Джайси. — Тот [ремобилизационный] путь практически отсутствует. Он незначителен, поскольку основная масса наземного фосфора захоранивается в осадке и неактивна. Люди думали, что этот путь значим по сравнению с реминерализацией, но это не так. Всё наоборот, и это напрямую влияет на стратегию контроля проблемы питательных веществ в заливе».
Сезонное явление
Поздней весной и ранним летом, после поступления в залив больших объемов богатой питательными веществами речной воды, создаются идеальные условия для эвтрофикации и роста фитопланктона. Отмирая летом, фитопланктон опускается на дно, его питательные вещества регенерируются, возвращаясь в придонные воды для поддержания «мертвой зоны» и потенциально диффундируя наверх, чтобы питать новое поколение планктона.
«Это процесс рециклинга, повторного использования одних и тех же питательных веществ множество раз», — пояснил Джоши. Джайси добавил, что это «эффективная система для микроорганизмов, но огромная проблема для управления питательными веществами».
Исследование кернов
Исследователи изучили осадочные керны из центральной части залива, проанализировав различные пулы фосфора и их изотопный состав. Согласно статье, это первая в мире документация сохранения изотопной сигнатуры сразу после реминерализации органического вещества в естественной среде.
«Красота изотопного инструмента в том, что как только фосфатный минерал осаждается, изотопный состав фиксируется и становится доступным для изучения прошлых реакций и процессов», — отметил Джайси.
Анализ показал, что растворение оксидов железа, с которыми связан поступающий с суши фосфор, является лишь второстепенным его источником в изученной части залива. Большая часть наземного фосфора остается захороненной в осадке и неактивна. Рави Куккадапу подтвердил, что фосфор, связанный с оксидами железа, не так реактивен, как часто предполагается.
Наследие прошлого
Исследователи также изучили исторические образцы осадков, что позволило оценить роль «наследственных» питательных веществ, поступивших в залив десятилетия назад из-за стока, но до сих пор хранящихся в донных отложениях.
«Если бы мы завтра нашли способ полностью остановить поступление избыточного азота и фосфора от человека, проблема все равно бы сохранялась из-за этого наследия, лежащего на дне залива. Это как найти забытую банку супа в своей кладовой», — провел аналогию Дэвид Бёрдидж из Олд Доминион Университета.
Аналитические методы
Работа объединила полевые исследования и лабораторные методы, включая измерение изотопов кислорода в фосфате и мессбауэровскую спектроскопию. Дональд Спаркс отметил, что сила исследования — в использовании множества подходов и передовых методов для получения точных данных об основных источниках и механизмах цикла. Бёрдидж добавил, что результаты — свидетельство упорства Джоши и Джайси в проведении сложных изотопных измерений.