Lake Erie ‘ s giftige grønne slim bliver værre med klimaændringer

CLEVELAND, Ohio—som sommeren snor sig ned, stinker meget af vestlige Erie-søen. Grøn goo-miles og miles af det-flyder på overfladen og udstråler en lugt som rådnende fisk, når den henfalder.

afskummet er ikke bare ubehageligt. Det er farligt.

skadelige algeopblomstringer er en sundhedsfare i alle 50 stater. Men Erie-søen, den laveste, og derfor den varmeste, af de fem store søer, er unikt sårbar over for algeopblomstringer. Som de fleste andre vandområder, der lider af blomster, er søen overbelastet med næringsstoffer, der danner den perfekte yngleplads for bakterier, der vides at forgifte kæledyr, forurene drikkevand og skabe iltberøvede “døde områder”, der dræber vandlevende liv.

søens umiddelbare fremtid ser dyster ud: blomsterne forværres med klimaændringer og udgør en trussel mod turisme og rekreation. Men forskning i søens gunky situation blomstrer, og resultaterne er relevante over hele verden. De blågrønne” alger ” kvæler Erie, Mikrocystis—som ikke rigtig er alger, men en slags fotosyntetiske bakterier—bugner i søer på alle kontinenter undtagen Antarktis.

“hvorfor er det sådan en god konkurrent? Det er det, vi håber at lære,” sagde Tim Davis, lektor i biologiske videnskaber ved Green State University, der har studeret skadelige algeblomster rundt om i verden.

giftige cyanobakterier, i daglig tale kaldet “giftige alger”, brød ud i rampelyset i USA i 2014, efter at et drikkevandsanlæg i Toledo, Ohio, fandt farlige niveauer af toksiner under en rutinemæssig test, og byen erklærede ledningsvandet udrikkeligt. Hundredtusinder af mennesker blev efterladt for at finde sikkert vand, indtil Toledo ophævede forbuddet mere end to dage senere.

når nødsituationen var gået, var spørgsmålet om alles sind: “Hvad skal vi gøre for at sikre, at vi er sikre?”sagde Pete Bucher, der begyndte at arbejde som lovgivningsassistent for state assembly district, der repræsenterer det sydlige Toledo en måned efter byens vandkrise. Bucher er nu administrerende direktør for vandpolitik i Ohio Miljøråd.

på det tidspunkt var test for cyanotoksiner, inklusive toksinet produceret af Mikrocystis, ikke påkrævet af Miljøstyrelsen (EPA). Det ændrede sig efter Toledo.

EPA indførte obligatorisk National overvågning af cyanotoksiner i 2016 med den uregulerede Forureningsovervågningsregel. Reglen trådte i kraft i 2018 og er indstillet til at slutte i år. Drikkevandsfaciliteter i berørte dele af Erie-søen har også indført dyre, men effektive behandlinger, herunder iltning, filtrering ved hjælp af aktivt kul og fysisk fjernelse eller filtrering af toksinbelastede Mikrocystisceller, der kan implementeres, så snart toksiner opdages.

hvis de sikkerhedsforanstaltninger, der er på plads i dag—hyppigere satellitovervågning med billeder med højere opløsning; instrumenter, der registrerer blomster ved drikkevandindtag; og bedre modellering af selve blomsterne—havde eksisteret under Toledos 2014-blomstring, ville tilstedeværelsen af toksinet ikke have været en overraskelse, og “de ville have været i stand til at tackle det,” sagde Rick Stumpf, en oceanograf ved National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). “Det ville ikke ske igen.”

Stumpf er en del af et team af NOAA-forskere, der begyndte at bruge satellitter til at estimere blomstringsstørrelse i Erie-søen i 2009. Efter Toledo vandkrise, NOAA skiftede fra at offentliggøre ugentlige bulletiner på Erie ‘ s bloom ved hjælp af satellitbilleder til at frigive næsten daglige opdateringer.

en perfekt katastrofe

Lake Erie ‘s største biflod, Maumee-floden, strømmer ind i Erie’ s vestlige bassin, den laveste del af søen. Mere end 70 procent af Maumees vandskel bruges til landbrug, og nedbør vasker kvælstof og fosfor—de to vigtige næringsstoffer til algevækst—fra gødning, der bruges på landbrugsjord til Maumee. Næringsstofferne i denne afstrømning transporteres direkte til søen.

Nedbør og næringsstofniveauer er de to vigtigste faktorer, der påvirker blomstringsstørrelsen. Frigivelsen af kvælstof og fosfor fra landbruget, den største kilde til næringsstoffer, der kommer ind i Erie-søen, kan kontrolleres. Men tungere nedbør fører til øget næringsstofbelastning fra alle kilder, inklusive naturlige, hvilket forårsager større blomster. Alger trives i varmere vand, og klimaændringer forventes at bringe varmere, vådere vejr til regionen og forværre eksisterende faktorer.

“det er som det værste tilfælde,” sagde Laura Johnson, direktør for National Center for Vandkvalitetsforskning ved Heidelberg University.

forskere ved Heidelberg har studeret næringsstofbelastning i Maumee-floden i årtier. Ved at sammenligne disse poster med NOAAs estimater for algeblomst, forbandt de fosforniveauer i Maumee til blomstringsstørrelse i Erie-søen og udviklede en sæsonbestemt blomstringsprognose for søen.

NOAA-satellitovervågningsprogrammet udviklede sig til et projekt kaldet Cyanobacteria Assessment netværk, eller CyAN, opkaldt efter cyanobakteriernes karakteristiske blågrønne farve og tilgængelig som en app til Android. NOAA og andre føderale agenturer overvåger nu algeblomster i 2.000 amerikanske. søer, der kunne holde blomstrer store nok til at blive set ved hjælp af satellitbilleder, og de offentliggør bloom information fra søerne gennem CyAN app. Agenturerne håber at støtte udviklingen af lokale prognosesystemer for de søer, de i øjeblikket overvåger, ved hjælp af prognosemetoder udviklet i Erie-søen.

men NOAA er ikke færdig med Erie-søen. Nogle mikrocystisblomster er mere giftige end andre, og Stumpf ser Erie som nøglen til at udvikle en toksicitetsprognose, der endnu ikke findes.

“vi kan ikke gøre alt med satellitter,” sagde han. “Vi kan ikke måle toksicitet, fordi toksiner ikke er pigmenter. De har ingen farve.”

på nuværende tidspunkt kræver sporingstoksicitet regelmæssig vandprøveudtagning, noget forskere på Green gør på ugentlig basis. Deres data hjælper med at forklare, hvordan blomster ændrer sig sæsonmæssigt, men mindre forstås om, hvordan toksicitet svinger hver dag. Det er her borgerforskere kommer ind.

“vi ved, at der er en masse dynamik, som vi mangler på daglig basis,” sagde Davis, den grønne Professor. “Så det, vi forsøger at gøre, er ved at inkorporere borgerforskere at indsamle flere data, der giver os mulighed for at se nogle af disse fine tendenser i toksinkoncentrationer, som forhåbentlig vil give os mulighed for at udvikle toksinprognosemodellen.”

Green samarbejdede med flere andre universiteter og NOAA for at rekruttere folk, der allerede arbejder på søen hver dag, som strandledere og charterbådkaptajner. Forskerne har modtaget millioner af dollars i statslige og føderale tilskudspenge til støtte for denne og anden algeforskningsindsats. Standard toksintest er kompliceret og tager timer at gennemføre, men borgerforskerne vil prøve vandet ved hjælp af nyudviklede testpatroner, der kan måle toksicitet på en brøkdel af tiden.

Davis håber, at de forenklede midler til dataindsamling vil udvide overvågningskapaciteten uden at overvælde borgerforskerne. Han planlægger at sammenligne fund fra Erie-søen med Mikrocystier, der findes i Afrikas Victoriasø og andre søer rundt om i verden, gennem et National Science Foundation-finansieret projekt, der sigter mod at låse op for mysteriet om organismens globale dominans.

på trods af eries størrelse—den spænder over næsten 10.000 kvadratkilometer, fire stater og to lande—Great Lakes Vandkvalitetsaftale, underskrevet af USA og Canada i 1972 og opdateret i 2012, Letter konsekvent overvågning på tværs af grænser.

aftalen har været effektiv, sagde Davis. Selvom hver sø er forskellig, han sagde, “mange mennesker ser på, hvad der foregår i Erie-søen og forskningen, der kommer ud af Lake Erie-området for at hjælpe med at guide dem.”

Blomstrende gennem tiden

eksponering for cyanotoksiner kan forårsage alt fra ondt i halsen, hovedpine og udmattelse til alvorlige symptomer som opkastning, lungebetændelse og leverskade, ifølge Center for Disease Control and Prevention. Selvom man tidligere troede, at eksponering kun kunne forekomme gennem vandbåren kontakt, nylige fund indikerer, at luftbårne cyanotoksiner muligvis kan rejse mere end en kilometer inde i landet.

“når du går på stranden, og du sidder eller genskaber i en sø, der har disse algetoksiner, kan du komme hjem med den slags symptomer, der bare varer en dag eller to,” sagde Anne Veir Schechinger, senioranalytiker i økonomi ved Miljøarbejdsgruppen. “Der har også været mere forskning på det seneste, der viser disse langsigtede virkninger, som leversvigt og endda nogle kræftformer, der begynder at blive forbundet med disse toksiner. Men jeg vil stadig sige, at sundhedsforskning stadig er tidligt.”

selvom der er skum på en søs overflade, kan det være giftfri. Men det modsatte kan også være sandt. Selvom det er det sikreste træk at undgå potentielt giftigt afskum, advarede Schechinger mod at antage, at det er sikkert at svømme i floder, søer eller damme, der forekommer algefri.

“du ser ikke nødvendigvis en scummy bloom. Det betyder ikke, at der ikke er (toksin) i vandet,” sagde hun.

et kort over toksinrådgivninger er tilgængeligt for Ohio ‘ s offentlige strande gennem state Department of Health. Mange andre stater leverer lignende ressourcer. Schechinger anbefaler en online søgning efter nærliggende algetoksinrådgivninger og, hvis der ikke kommer noget op, et opkald til det statslige agentur, der overvåger blomster.

mest forskning på Mikrocystis og cyanotoksiner er opstået i løbet af det sidste årti. Forholdet mellem nitrogen og toksicitet er relativt godt forstået, selvom feltet fortsætter med at udvikle sig.

den Microcystis dominerende Lake Erie kan kun vokse i størrelse og toksicitet, indtil blomsten har opbrugt alt det tilgængelige kvælstof eller fosfor i søen. Tidlig forskning identificerede fosfor som det primære begrænsende næringsstof, førende miljøregler med det formål at reducere alger til kun at målrette fosfor.

Microcystis har brug for både fosfor og nitrogen for at vokse, men det har brug for nitrogen direkte for at producere dets toksin. Så reduktion af fosfor, men ikke nitrogen, ville fremme en blomst, der er fysisk mindre, men sandsynligvis ikke mindre giftig. Reduktion af kvælstof, men ikke fosfor, ville fremme en blomst, der er lige så stor, men sammensat af en anden slags alger, der fanger kvælstof fra luften, hvilket kunne være lige så giftigt.

“vi er nødt til at fokusere på begge, fordi vi virkelig ser på en holistisk tilgang,” sagde Davis. “Vi ønsker at reducere fosfor, og vi ønsker at reducere kvælstof, så vi har en sund sø, fordi en sund sø har en sund balance mellem begge næringsstoffer.”

selvom EPA nu anbefaler at reducere kvælstof sammen med fosfor, har staternes algebegrænsende indsats været langsom at følge. I 2015 underskrev Michigan, Ohio og den canadiske provins Ontario det vestlige bassin i Erie-søen samarbejdsaftale, som kræver en reduktion på 40 procent i fosforet—hovedsagelig fra landbrugsafstrømning—ind i søen inden 2025. H2Ohio, der modtog finansiering som en del af Ohio-budgettet i November sidste år, fokuserer også på at begrænse fosforafstrømning fra landbruget for at afbøde algeopblomstringer.

Ohio har ikke nået sit foreløbige mål om en 20 procent fosforreduktion inden 2020. Når det kommer til at nå målet på 40 procent inden 2025, sagde Bucher fra Ohio Environmental Council, “jeg tror, vi kan komme dertil. Jeg tror, det bare vil tage en dobbelt ned på indsatsen.”At have konsekvent finansiering vil også være altafgørende, sagde han.

de fleste eksperter siger, at reduktion af mængden af næringsstoffer frigivet af gårde er den eneste måde at stoppe blomsterne i en sø så stor som Erie. Huichun “Judy” Jang, professor i civil-og miljøteknik ved Case vestlige Reserve Universitet, ønsker at forhindre fosfor, der allerede er frigivet af gårde, i at komme til søen.

hun udvikler et fosforindfangningssystem til at afbøde landbrugsafstrømning ved hjælp af filtre fyldt med små strukturer, hver på størrelse med et sesamfrø, der kan absorbere fosfor fra vandet, der passerer igennem. Hun har modtaget $200.000 i tilskudspenge til støtte for dette arbejde.

Jang og hendes forskningspartner, Chad Penn, en jordforsker, der arbejder for det amerikanske landbrugsministerium, forventer at installere et pilotprojekt, der demonstrerer deres teknologi i den nærmeste fremtid. De planlægger at placere filtrene på steder, hvor afstrømning samles naturligt, såsom dræningsgrøfter.

“på kort sigt, at være i stand til at skære ned fosfor frigivelse i søen, dette, vi håber, vil gøre en enorm indflydelse,” sagde han. Hun forventer, at filtrene fungerer som en midlertidig løsning, indtil det fosfor, der frigives af landbruget, kan reduceres markant.

et israelsk selskab, BlueGreen Vandteknologier, har en anden tilgang. For to år siden lancerede den en form for algaecid, der er målrettet mod cyanobakterier, der udløser en massedød af de giftige alger, samtidig med at ikke-giftige former for alger-og andre vandorganismer—overlever. Behandlingen har haft succes i Israel, Sydafrika og Kina, såvel som i Ohio ‘ s Chippa-sø, som havde været plaget af giftige blomster i årevis. Et år efter, at BlueGreen anvendte sin “LakeGuard”-behandling, der tog en dag og kostede omkring $20.000, forbliver Chippevaøen algefri.

Chief Technology Officer Moshe Harel er glædeligt overrasket over, at alger ikke er vendt tilbage til Chippevaøen. “Vi skriver bogen, mens vi taler,” sagde han.

Algeblomstringer i damme eller små søer er relativt lette at afhjælpe. Men at behandle større søer er udfordrende. Lake Erie er tusindvis af gange større end den største Lake BlueGreen har behandlet, men i modsætning til næsten alle andre, er virksomheden ikke afskrækket af skalaen.

Harel, en miljøbiolog og skaberen af LakeGuard-behandlingen, som er USDA-godkendt og certificeret af Ohio EPA, mener, at behandlingens evne til at flyde og følge vandstrømme vil oversætte effektivt til enhver sø, uanset skalaen. På et tidspunkt, men ikke helt endnu, vil han tage på Erie-søen.

“vi sigter ikke mod at behandle hele Søen,” sagde Harel. “Vi laver kirurgiske behandlinger. Så for en sø som Erie-søen vil vores mål være at overvåge, hvor blomsten starter i begyndelsen af sæsonen.”

i mellemtiden er harels seværdigheder sat på andre store søer, som Lake Okeechobee i Florida, den ottende største sø i landet, som stadig er 13 gange mindre end Lake Erie.

“alle disse søer er ubehandlede, tilbage til at blomstre og for at blomsterne bliver værre fra år til år,” sagde administrerende direktør Eyal Harel, Moshe Harels bror, af søerne BlueGreen har allerede behandlet. “Jeg tror, vi vil behandle Lake Erie. Det er bare et spørgsmål om tid.”