Новое исследование изучает функциональность водных экосистем

Гидрологические колебания могут существенно влиять и изменять функции водных экосистем. Ключевую роль в этом играют изменяющиеся состояния редокс-активных веществ. К такому выводу пришли исследователи из Университета Байройта в сотрудничестве с партнерами из Университетов Тюбингена и Бристоля, а также Центра Гельмгольца по исследованию окружающей среды в Галле-Лейпциге. Своё открытие они представили в журнале Nature Geoscience. Новое исследование позволяет точнее понять биогеохимические процессы, способствующие деградации загрязнителей и снижению выбросов парниковых газов.

Снижение образования парниковых газов, накопление углерода, удаление таких загрязнителей окружающей среды, как нитраты, и обеспечение качественной питьевой водой — всё это важные функции водных экосистем, таких как озера, реки, болота и топи. Эти функции тесно связаны с циклами кислорода, азота, углерода и других элементов в природе. Давно известно, что взаимосвязанные биогеохимические процессы циклов элементов могут значительно зависеть от гидрологических колебаний, например, уровня воды в водно-болотных угодьях, торфяниках и грунтовых водах или даже изменения направления потока в грунтовых водах.

Исследовательской группе под руководством профессора Стефана Пайффера из Университета Байройта удалось точнее понять эту зависимость. Как показали многочисленные лабораторные исследования, ключевую функцию здесь выполняют редокс-активные вещества. Их разнообразие цветов — от глубокого черного до серого, коричневого и светло-красного на очень ограниченном пространстве — является результатом взаимодействия микробиологических и химических процессов с переносом электронов, которые в науке называют редокс-реакциями.

В микробиально управляемых редокс-реакциях, например в болоте, роль кислорода выполняет множество редокс-активных веществ — соединений железа, серы, марганца или гуминовых веществ. Их срок жизни очень короток, но они обладают сильной тенденцией к участию в редокс-реакциях, поэтому их называют «редокс-активными метастабильными фазами» (RAMPs). Из-за высокой реакционной способности RAMPs играют важную роль в циклах элементов в экосистемах, например, в разложении загрязнителей, таких как нитраты.

Исследование, опубликованное в Nature Geoscience, пришло к решающему для экологических исследований выводу: динамика редокс-активности RAMPs запускается гидрологическими колебаниями в береговых зонах, на водно-болотных угодьях, в заболоченных почвах, рисовых полях или на поверхности донных отложений. Эти мелкомасштабные биогеохимические реакции, в свою очередь, влияют на крупномасштабные реакции экосистемы, например, на количество парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу.

«Наше исследование показывает, что биогеохимические реакции в масштабе всего нескольких микрометров образуют важную связь между двумя крупномасштабными процессами: гидрологическими колебаниями и функциями экосистем. Новые данные помогут лучше прогнозировать деградацию загрязнителей в водных экосистемах, а также точнее оценивать последствия изменения климата для превращения углерода и азота в этих экосистемах», — говорит профессор Пайффер.