Токсичные цветения в движении: исследователи картируют распределение водорослей в озере Окичоби

Озеро Окичоби, крупнейшее пресноводное озеро Флориды, играет ключевую роль в экосистеме и управлении водными ресурсами штата. Его площадь составляет 730 квадратных миль, средняя глубина — всего 9 футов. Оно служит важным источником воды для сельского хозяйства и контроля паводков. Соединенное каналами с Эверглейдс, оно также популярно для рыбалки, катания на лодках и наблюдения за птицами.

Однако озеро сталкивается с учащающимися вредоносными цветениями цианобактерий, особенно токсичного вида Microcystis aeruginosa. Эти микроскопические водоросли процветают в теплых, богатых питательными веществами водах и могут образовывать вредоносные цветения. Известные своим суточным вертикальным перемещением, цианобактерии ежедневно перемещаются вверх и вниз по водной толще для доступа к свету и питательным веществам, что делает их более устойчивыми в мутных водах, таких как в озере Окичоби.

Хотя суточное вертикальное перемещение хорошо задокументировано, его влияние на развитие цветений и качество воды остается неясным. Понимание этого движения имеет решающее значение для управления рисками, связанными с вредоносными цветениями водорослей.

Используя новую физико-биогеохимическую модель, объединяющую движение воды и биологическую активность, исследователи из Института океанографии Харбор-Бранч Университета Флориды Атлантик в сотрудничестве с Колледжем морских наук Университета Южной Флориды изучили ежедневное вертикальное движение цианобактерий в озере Окичоби летом. В то время как предыдущие модели озера изучали как физические, так и биологические процессы, ни одна не рассматривала конкретно это ежедневное вертикальное перемещение цианобактерий.

Для исследования команда сосредоточилась на том, как ежедневное движение цианобактерий взаимодействует с течениями в озере и вертикальным перемешиванием — процессами, которые заставляют воду двигаться вверх и вниз в озерах и океанах. Это перемешивание имеет решающее значение для распределения питательных веществ и кислорода между поверхностью и глубинными водами, влияя на то, где могут процветать растения и организмы, такие как цианобактерии. Такие факторы, как ветер и разница температур, вызывают это перемешивание.

Результаты этой новой модели, опубликованные в марте и апреле в журнале Ecological Modelling, показывают, как цианобактерии в центре озера Окичоби перемещаются к поверхности утром, чтобы получить больше солнечного света, что стимулирует их рост и увеличивает плотность. В то же время ветры — в основном с юга или юго-востока — толкают эти поверхностные клетки к северной и северо-западной частям озера.

С наступлением ночи более низкие температуры и ветровое перемешивание взбалтывают воду, перераспределяя клетки более равномерно по всей водной толще. Хотя ветер влияет на движение цветений по озеру, ежедневная вертикальная миграция, рост у поверхности и вертикальное перемешивание оказывают более значительное общее воздействие.

В результате поверхностные концентрации цианобактерий, как правило, достигают пика поздним утром или в полдень, а затем быстро снижаются во второй половине дня. Однако ветровое движение происходит почти ежедневно в конце весны и летом, часто приводя к образованию видимых полос водорослей — узких полос шириной менее 2 километров — вдоль северных берегов.

Исследование также показало, что сезонная картина цветений в значительной степени обусловлена изменениями температуры и ветра: более высокие температуры приводят к более сильным цветениям, а более сильные ветры, как правило, уменьшают их. Это улучшенное понимание поведения цветений может улучшить мониторинг, прогнозирование и управление этими вредными явлениями.

"Наше исследование показывает, что ежедневный подъем и опускание цианобактерий, обусловленные вертикальным перемешиванием и миграцией, наряду с их быстрым ростом у поверхности, являются основными силами, стоящими за формированием цветений в центральном бассейне озера Окичоби", — сказал Мингшунь Цзян, доктор философии, старший автор и доцент-исследователь, FAU Harbor Branch.

"Высокая температура и слабый ветер благоприятствуют росту водорослей, но сильный ветер может перемешать клетки ниже поверхности, ограничивая их доступ к свету. Хотя горизонтальное движение действительно играет роль со временем, именно вертикальные процессы задают сцену каждый день. Понимание этого помогает нам лучше предсказывать, когда и где цветения будут усиливаться".

Для проверки вертикального движения цианобактерий исследователи собрали данные с помощью нескольких методов. Они отбирали пробы воды как с поверхности, так и со дна в различных местах, использовали датчик для мониторинга уровня цианобактерий в течение дня в центральной части озера и анализировали спутниковые снимки, сделанные с разницей в несколько часов. Эти совместные наблюдения подтвердили суточные модели миграции цианобактерий.

"Результаты нашей модели хорошо согласовывались с полевыми данными, включая биовысот цианобактерий и измерения радиометра, проведенные в озере", — сказал Цзян.

"И модель, и спутниковые снимки выявили две основные зоны цветения около полудня: широко распространенное цветение по всему центральному бассейну и узкие интенсивные полосы вдоль северных и северо-западных берегов. Температура и ветер оказались ключевыми факторами, определяющими, когда и где образуются и усиливаются цветения".

Хотя цианобактерии являются одной из наиболее изученных групп фитопланктона, это моделирование дает новое представление о том, как физические и биологические процессы взаимодействуют, формируя цветения в озере Окичоби.

"Необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять ключевые биологические факторы, такие как образование колоний и старение Microcystis, ключевого вида цианобактерий", — сказал Цзян. "Дополнительные полевые данные будут необходимы для подтверждения моделей вертикальной миграции и уточнения деталей, таких как скорость миграции, время и характеристики колоний".

Водосбор озера Окичоби получает притоки из реки Киссимми и прилегающих территорий. Затем вода вытекает через различные точки сброса, включая Эверглейдс на юге. В периоды избытка воды, особенно в сезон дождей, озеро также сбрасывает воду в реки Сент-Люси и Калусахачи.

Следовательно, цветения в озере могут существенно влиять на качество воды и цветения фитопланктона в этих эстуариях. Эта сложная водная система делает озеро Окичоби ключевым компонентом гидрологического баланса региона.