Экологическая инженерия — глоток воздуха для морских экосистем

Кислород необходим для многих форм жизни, но мы часто не уделяем ему должного внимания, полагая, что он всегда присутствует. Хотя кислород повсеместно распространен в атмосфере, во многих водоемах — реках, озерах и даже океанах — это не так. Недостаток кислорода может привести к серьезным последствиям для экосистемы, например, к массовой гибели рыбы. Однако искусственная аэрация воды способна вдохнуть новую жизнь, как показало наше недавнее исследование в одном из шведских фьордов.

Дефицит кислорода и гибель дикой природы наблюдается не только в озерах, но и в морских средах, что может показаться удивительным из-за перемешивания вод океанскими течениями. Океаны в целом содержат кислород (мы называем их «оксичными»), но легко забываем, что так было не всегда. В истории Земли первичные океаны были бескислородными (аноксичными) и имели совершенно иной химический состав. С появлением фотосинтезирующих бактерий океаны постепенно насыщались кислородом. Сначала его концентрации были довольно низкими (гипоксичными) по сравнению с современными уровнями, но со временем кислород накапливался в воде и атмосфере, а гипоксичные и аноксичные зоны отступали.

В настоящее время такие зоны вновь появляются по всему миру: в восточной части Тихого океана (у побережья Канады, США, Центральной Америки, Чили и Перу), в Бенгальском заливе (Индия), Аравийском море, Черном море, Балтийском море и у берегов Намибии.

Как формируются воды с дефицитом кислорода?

Разные механизмы приводят к развитию гипоксичных и аноксичных вод в разных регионах, что формирует различную химию воды. В районах апвеллинга (например, у побережий Перу и Чили) богатые питательными веществами глубинные воды поднимаются к поверхности, вызывая цветение фотосинтезирующих бактерий и водорослей. Увеличение количества органического углерода служит питательной средой для других микробов, которые в процессе дыхания снижают концентрацию кислорода, создавая гипоксичные условия.

В таких местах, как Балтийское море, существуют большие и глубокие бассейны с естественно низкой частотой водообмена (например, с Северным морем), поэтому они получают мало богатой кислородом воды извне, что часто приводит к гипоксии. Кроме того, неочищенные сточные воды, сток питательных веществ с сельхозугодий и сброс органических отходов увеличивают нагрузку на воды Балтики. Это вызывает цветение фотосинтезирующих бактерий и водорослей и последующее увеличение численности других бактерий, которые их потребляют. Их дыхание снижает концентрацию кислорода до нуля.

Крайне низкий уровень кислорода (или его полное отсутствие) вреден для рыб и многих других форм жизни. Кроме того, в бескислородных водах активизируются микробные процессы, не требующие кислорода, что создает дополнительные проблемы, такие как резкое снижение доступного азота. Когда образуются огромные скопления токсичных цианобактерий, повышается вероятность контакта токсинов с человеком.

Повышение температуры поверхности океана в результате изменения климата будет еще больше снижать содержание кислорода в поверхностных водах, приводя к расширению уже известных зон с низким или нулевым содержанием кислорода и образованию новых. Это не только экологическая проблема: экономика также страдает из-за пагубного воздействия на рыболовство, туризм и качество воды.

Аэрация воды

Существуют ли решения? И да, и нет. В некоторых регионах нет очевидного способа решить проблему. В других, например в Балтийском море, восстановление возможно, и было предложено несколько путей. Сокращение поступления питательных веществ в Балтику устранило бы причину проблемы, и были введены инициативы по улучшению очистки сточных вод.

Но можно лечить и симптомы. Одна из идей — аэрировать воду, увеличивая частоту естественного поступления богатой кислородом воды из Северного моря с помощью ветровых насосов в рамках проекта экологической инженерии.

Наши шведские коллеги испытали эту идею в крупном эксперименте в шведском фьорде Byford. Были установлены электрические насосы, и водная толща перемешивалась путем перекачки поверхностной воды в бескислородный бассейн. Хотя мощности насоса было недостаточно для полной аэрации бассейна, возмущение водной толщи спровоцировало приток богатой кислородом воды из соседнего фьорда. Это привело к значительному увеличению содержания кислорода во всей водной толще, включая аноксичный бассейн. На протяжении всего процесса мы отслеживали реакцию бактериального сообщества во фьорде с помощью молекулярных методов.

Проверка вод

Наша недавняя работа показывает, что бактерии, требующие кислорода, изначально присутствовавшие только в поверхностных водах, после аэрации были обнаружены и в глубоком бассейне. Они заменили ранее наблюдавшееся там сообщество анаэробных бактерий, что свидетельствует о том, что кислород достиг глубин фьорда и поддерживал жизнь. В целом стало ясно, что изменение бактериального сообщества было аналогичным тому, которое можно было бы ожидать при естественном насыщении кислородом, например, при смешении вод.

Может ли экологическая инженерия по аэрации аноксичных морских зон стать решением будущего? Возможно. Сокращение антропогенной нагрузки питательных веществ в эти зоны важно, и эти программы следует продолжать, поскольку они устраняют корень проблемы. Однако экологическая инженерия — это еще один вариант насыщения кислородом определенных морских зон. Это особенно поможет в системах, где в донных отложениях накоплено большое количество питательных веществ; их естественное восстановление заняло бы много времени, даже если бы весь дальнейший приток питательных веществ был немедленно прекращен.

Но особенно для Балтийского моря вопрос заключается не только в том, технически осуществим и экологически оправдан ли проект по аэрации, но и в том, является ли он экономически жизнеспособным и есть ли политическая воля для реализации такого долгосрочного проекта.