Toksyczny zielony szlam jeziora Erie pogarsza się wraz ze zmianami klimatycznymi

CLEVELAND, Ohio—wraz z opadającym latem, duża część zachodniego jeziora Erie śmierdzi. Zielona goo—mil i mil-unosi się na powierzchni, emanując zapachem gnijącej ryby, gdy się rozpada.

szumowina nie jest tylko nieprzyjemna. To niebezpieczne.

szkodliwe zakwity glonów stanowią zagrożenie dla zdrowia we wszystkich 50 stanach. Ale Jezioro Erie, najbardziej płytkie, a zatem najcieplejsze z pięciu wielkich jezior, jest wyjątkowo podatne na zakwity glonów. Podobnie jak większość innych zbiorników wodnych cierpiących na zakwity, jezioro jest przeładowane składnikami odżywczymi, tworząc idealne podłoże dla bakterii, o których wiadomo, że zatruwają zwierzęta domowe, zanieczyszczają wodę pitną i tworzą pozbawione tlenu „martwe strefy”, które zabijają życie wodne.

najbliższa przyszłość jeziora wygląda ponuro: kwitnienie pogarsza się wraz ze zmianami klimatycznymi i stanowi zagrożenie dla turystyki i rekreacji. Ale badania nad gunky los jeziora kwitnie, a wyniki są istotne na całym świecie. Niebieskozielone „algi”, Microcystis—które tak naprawdę nie są glonami, ale rodzajem fotosyntetycznych bakterii-obfitują w jeziora na każdym kontynencie z wyjątkiem Antarktydy.

„dlaczego to taki dobry konkurent? Tego mamy nadzieję się nauczyć ” – powiedział Tim Davis, profesor nauk biologicznych na Bowling Green State University, który badał szkodliwe zakwity glonów na całym świecie.

toksyczne cyjanobakterie, potocznie nazywane „toksycznymi glonami”, pojawiły się w centrum uwagi w Stanach Zjednoczonych w 2014 roku, po tym, jak w fabryce wody pitnej w Toledo w stanie Ohio wykryto niebezpieczny poziom toksyn podczas rutynowych testów, a miasto ogłosiło, że woda z kranu nie nadaje się do picia. Setki tysięcy ludzi pozostało w poszukiwaniu bezpiecznej wody, dopóki Toledo nie zniosło zakazu ponad dwa dni później.

kiedy sytuacja awaryjna minęła, wszyscy zadali sobie pytanie: „co musimy zrobić, aby upewnić się, że jesteśmy bezpieczni?”powiedział Pete Bucher, który rozpoczął pracę jako doradca legislacyjny w okręgu zgromadzenia stanowego reprezentującym Południowe Toledo miesiąc po kryzysie wodnym miasta. Bucher jest obecnie dyrektorem zarządzającym polityki wodnej w Ohio Environmental Council.

w tym czasie badania na obecność cyjanotoksyn, w tym toksyn wytwarzanych przez Microcystis, nie były wymagane przez Agencję Ochrony Środowiska (EPA). To się zmieniło po Toledo.

EPA wprowadziła obowiązkowy Krajowy monitoring cyjanotoksyn w 2016 r.z nieuregulowaną zasadą monitorowania zanieczyszczeń. Zasada ta weszła w życie w 2018 r.i ma się zakończyć w tym roku. Instalacje wody pitnej w dotkniętych obszarach jeziora Erie wprowadziły również kosztowne, ale skuteczne metody leczenia, w tym utlenianie, filtrowanie przy użyciu węgla aktywowanego i fizyczne usuwanie lub filtrowanie komórek Mikrocystycznych obciążonych toksynami, które można wdrożyć, gdy tylko toksyny zostaną wykryte.

gdyby istniejące obecnie zabezpieczenia – częstsze monitorowanie satelitarne z obrazami o wyższej rozdzielczości; Instrumenty wykrywające zakwity w ujęciach wody pitnej; i lepsze modelowanie samych zakwitów-istniały podczas kwitnienia Toledo w 2014 r., obecność toksyny nie byłaby zaskoczeniem i „byliby w stanie temu zaradzić”, powiedział Rick Stumpf, oceanograf w National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). „To się nie powtórzy.”

Stumpf jest częścią zespołu naukowców NOAA, którzy zaczęli używać satelitów do szacowania wielkości kwitnienia w jeziorze Erie w 2009 roku. Po kryzysie wodnym w Toledo NOAA przerzuciła się z publikowania cotygodniowych biuletynów na temat Erie ’ s bloom za pomocą zdjęć satelitarnych na publikowanie niemal codziennych aktualizacji.

idealna katastrofa

największy dopływ jeziora Erie, Rzeka Maumee, wpada do zachodniego basenu Erie, najbardziej płytkiej części jeziora. Ponad 70 procent działu wodnego Maumee jest wykorzystywane w rolnictwie, a opady deszczu przepłukują azot i fosfor—dwa kluczowe składniki odżywcze dla wzrostu glonów—z nawozu używanego na polach uprawnych do Maumee. Składniki odżywcze w tym spływie są transportowane bezpośrednio do jeziora.

Opady Deszczu i poziom składników odżywczych to dwa główne czynniki wpływające na wielkość kwitnienia. Uwalnianie azotu i fosforu z rolnictwa, największego źródła składników odżywczych wpływających do jeziora Erie, może być kontrolowane. Ale większe opady prowadzą do zwiększonego załadunku składników odżywczych ze wszystkich źródeł, w tym naturalnych, co powoduje większe zakwity. Glony rozwijają się w cieplejszej wodzie, a zmiany klimatu powinny przynieść regionowi cieplejszą, bardziej wilgotną pogodę, pogarszając istniejące czynniki.

„to jak najgorszy scenariusz” – powiedziała Laura Johnson, dyrektor Narodowego Centrum Badań Jakości Wody na Uniwersytecie w Heidelbergu.

naukowcy z Heidelbergu od dziesięcioleci badają załadunek składników odżywczych w rzece Maumee. Porównując te zapisy z szacunkami rozkwitu alg NOAA, powiązali poziom fosforu w Maumee z wielkością rozkwitu w jeziorze Erie i opracowali prognozę sezonowego rozkwitu jeziora.

program monitorowania satelitarnego NOAA przekształcił się w projekt o nazwie Cyanobacteria Assessment Network lub CyAN, nazwany od charakterystycznego niebiesko-zielonego koloru cyjanobakterii i dostępny jako aplikacja na Androida. NOAA i inne agencje federalne monitorują teraz zakwity glonów w 2000 USA. jeziora, które mogą pomieścić kwitnienia na tyle duże, aby można je było zobaczyć za pomocą zdjęć satelitarnych, i publikują informacje o kwitnieniu z jezior za pośrednictwem aplikacji CyAN. Agencje mają nadzieję wspierać rozwój lokalnych systemów prognozowania dla jezior, które obecnie monitorują, z wykorzystaniem metod prognozowania opracowanych w jeziorze Erie.

ale NOAA to nie koniec Z Lake Erie. Niektóre zakwity Microcystis są bardziej toksyczne niż inne, a Stumpf uważa Erie za klucz do opracowania prognozy toksyczności, która jeszcze nie istnieje.

„Nie możemy zmierzyć toksyczności, ponieważ toksyny nie są pigmentami. Nie mają koloru.”

obecnie śledzenie toksyczności wymaga regularnego pobierania próbek wody, co naukowcy z Bowling Green robią co tydzień. Ich dane pomagają wyjaśnić, w jaki sposób kwitnienia zmieniają się sezonowo, ale mniej wiadomo o tym, jak toksyczność zmienia się każdego dnia. Tu wkraczają naukowcy obywatelscy.

„Staramy się więc, poprzez włączenie naukowców obywatelskich, zebrać więcej danych, które pozwolą nam zobaczyć niektóre z tych drobnych trendów w stężeniach toksyn, co, miejmy nadzieję, pozwoli nam opracować model prognozy toksyn.”

Bowling Green współpracuje z kilkoma innymi uniwersytetami i NOAA, aby rekrutować ludzi, którzy już pracują nad jeziorem na co dzień, takich jak menedżerowie plaży i kapitanowie łodzi czarterowych. Naukowcy otrzymali miliony dolarów w państwowych i federalnych dotacjach, aby wesprzeć te i inne wysiłki badawcze w zakresie alg. Standardowe testy toksyn są skomplikowane i trwają wiele godzin, ale obywatelscy naukowcy będą pobierać próbki wody za pomocą nowo opracowanych wkładów testowych, które mogą mierzyć toksyczność w ułamku czasu.

Davis ma nadzieję, że uproszczone sposoby zbierania danych poszerzą możliwości monitorowania bez przytłaczania naukowców obywatelskich. Planuje porównać odkrycia z jeziora Erie do Mikrocystyd znalezionych w afrykańskim Jeziorze Wiktorii i innych jeziorach na całym świecie, poprzez finansowany przez National Science Foundation projekt, który ma na celu odkrycie tajemnicy globalnej dominacji organizmu.

pomimo wielkości jeziora Erie—obejmuje ono prawie 10 000 mil kwadratowych, cztery stany i dwa kraje—Umowa o jakości wody Wielkich Jezior, podpisana przez Stany Zjednoczone i Kanadę w 1972 r.i zaktualizowana w 2012 r., ułatwia spójne monitorowanie ponad granicami.

umowa weszła w życie Chociaż każde jezioro jest inne, powiedział: „wielu ludzi przygląda się temu, co dzieje się w Lake Erie i badaniom pochodzącym z obszaru Lake Erie, aby pomóc im poprowadzić.”

kwitnienie w czasie

ekspozycja na cyjanotoksyny może powodować wszystko, od bólu gardła, bólów głowy i wyczerpania po ciężkie objawy, takie jak wymioty, zapalenie płuc i uszkodzenie wątroby, zgodnie z Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom. Chociaż wcześniej uważano, że narażenie może nastąpić tylko poprzez kontakt z wodą, ostatnie odkrycia wskazują, że cyjanotoksyny w powietrzu mogą być w stanie podróżować ponad milę w głąb lądu.

„kiedy idziesz na plażę i siedzisz lub odtwarzasz się w jeziorze, w którym są toksyny alg, możesz wrócić do domu z tego rodzaju objawami, które trwają tylko dzień lub dwa”, powiedziała Anne Weir Schechinger, starszy analityk ds. ekonomii w Grupie Roboczej ds. środowiska. „Ostatnio przeprowadzono również więcej badań pokazujących te długoterminowe skutki, takie jak niewydolność wątroby, a nawet niektóre nowotwory, które zaczynają być związane z tymi toksynami. Ale nadal powiedziałbym, że badania nad zdrowiem są jeszcze wczesne.”

nawet jeśli na powierzchni jeziora występuje szumowina, może być nietoksyczna. Ale odwrotność może być również prawdą. Podczas gdy unikanie potencjalnie toksycznych szumowin jest najbezpieczniejszym posunięciem, Schechinger ostrzegł przed założeniem, że można bezpiecznie pływać w rzekach, jeziorach lub stawach, które wydają się wolne od glonów.

” nie koniecznie widzisz skąpy kwiat. To nie znaczy, że nie ma (toksyny) w wodzie” – powiedziała.

Wiele innych państw zapewnia podobne zasoby. Schechinger zaleca wyszukiwanie w Internecie pobliskich porad dotyczących toksyn alg, a jeśli nic się nie pojawi, wezwanie do Państwowej Agencji monitorującej kwitnienie.

większość badań nad Mikrocystykami i cyjanotoksynami pojawiła się w ostatniej dekadzie. Związek między azotem a toksycznością jest stosunkowo dobrze poznany, choć dziedzina nadal się rozwija.

Microcystis dominujący nad jeziorem Erie może rosnąć tylko pod względem wielkości i toksyczności, dopóki kwitnienie nie zużyje całego dostępnego azotu lub fosforu w jeziorze. Wczesne badania zidentyfikowały fosfor jako główny ograniczający składnik pokarmowy, prowadząc do regulacji środowiskowych mających na celu redukcję glonów do ukierunkowania tylko na fosfor.

Microcystis potrzebuje zarówno fosforu, jak i azotu do wzrostu, ale potrzebuje azotu bezpośrednio do produkcji swojej toksyny. Tak więc redukcja fosforu, ale nie azotu, przyczyniłaby się do rozkwitu, który jest fizycznie mniejszy, ale prawdopodobnie nie mniej toksyczny. Redukcja azotu, ale nie fosforu, przyczyniłaby się do rozkwitu, który jest tak duży, ale składa się z innego rodzaju glonów, które wychwytują azot z powietrza, który może być równie toksyczny.

„musimy skupić się na obu, ponieważ tak naprawdę patrzymy na holistyczne podejście” – powiedział Davis. „Chcemy zmniejszyć fosfor i chcemy zmniejszyć azot, aby mieć zdrowe jezioro, ponieważ zdrowe jezioro ma zdrową równowagę obu składników odżywczych.”

chociaż EPA zaleca teraz redukcję azotu wraz z fosforem, wysiłki państw na rzecz łagodzenia alg są powolne. W 2015 roku Michigan, Ohio i Kanadyjska Prowincja Ontario podpisały umowę o współpracy w zachodniej części jeziora Erie, która wymaga 40-procentowego zmniejszenia zawartości fosforu—głównie z odpływu rolniczego-wchodzącego do jeziora do 2025 roku. H2Ohio, który otrzymał finansowanie w ramach budżetu Ohio w listopadzie ubiegłego roku, koncentruje się również na ograniczeniu odpływu fosforu z rolnictwa w celu złagodzenia zakwitów glonów.

Ohio nie osiągnęło wstępnego celu redukcji fosforu o 20% do 2020 roku. Jeśli chodzi o osiągnięcie 40-procentowego celu do 2025 roku, powiedział Bucher, z Rady Ochrony Środowiska Ohio, „myślę, że możemy to osiągnąć. Myślę, że to będzie wymagało podwójnego wysiłku.”Posiadanie spójnego finansowania będzie również najważniejsze, powiedział.

większość ekspertów twierdzi, że zmniejszenie ilości składników odżywczych uwalnianych przez gospodarstwa to jedyny sposób na zatrzymanie kwitnienia w jeziorze tak dużym jak Erie. Huichun „Judy” Zhang, profesor inżynierii lądowej i środowiska na Case Western Reserve University, chce zapobiec przedostawaniu się fosforu, który został już uwolniony przez gospodarstwa rolne, do jeziora.

opracowuje system wychwytywania fosforu, aby złagodzić Spływ rolniczy, używając filtrów wypełnionych małymi strukturami, każdy wielkości ziarna sezamu, które mogą absorbować fosfor z przepływającej wody. Otrzymała 200 000 dolarów dotacji na wsparcie tej pracy.

Zhang i jej partner badawczy, Chad Penn, gleboznawca pracujący dla Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, przewidują w niedalekiej przyszłości instalację projektu pilotażowego demonstrującego ich technologię. Planują umieścić filtry w miejscach, w których ścieki gromadzą się naturalnie, takich jak Rowy odwadniające.

„w krótkim czasie, aby móc ograniczyć uwalnianie fosforu do jeziora, mamy nadzieję, będzie to miało ogromny wpływ” – powiedział Zhang. Oczekuje, że filtry będą służyć jako tymczasowe rozwiązanie, dopóki fosfor uwalniany przez rolnictwo nie zostanie znacznie zmniejszony.

Izraelska firma BlueGreen Water Technologies ma inne podejście. Dwa lata temu wprowadzono formę algaecydu, który atakuje cyjanobakterie, powodując masową śmierć toksycznych glonów, jednocześnie pozwalając nietoksycznym formom glonów—i innym organizmom wodnym—przetrwać. Leczenie odniosło sukces w Izraelu, RPA i Chinach, a także w jeziorze Chippewa w Ohio, które od lat było nękane przez toksyczne zakwity. Rok po tym, jak BlueGreen zastosował zabieg „LakeGuard”, który trwał jeden dzień i kosztował około 20 000 dolarów, jezioro Chippewa pozostaje wolne od glonów.

Chief Technology Officer Mosze Harel jest mile zaskoczony, że glony nie wróciły do jeziora Chippewa. „Piszemy książkę, jak mówimy”

kwitnienie glonów w stawach lub małych jeziorach jest stosunkowo łatwe do zaradzenia. Ale leczenie większych jezior jest trudne. Jezioro Erie jest tysiące razy większe niż największe jezioro Bluegreen, ale w przeciwieństwie do wszystkich innych, firma nie jest zniechęcana skalą.

Harel, biolog środowiska i twórca lakeguard treatment, który jest zatwierdzony przez USDA i certyfikowany przez Ohio EPA, wierzy, że zdolność leczenia do pływania i podążania za prądami wodnymi skutecznie przełoży się na każde jezioro, bez względu na skalę. W pewnym momencie, ale jeszcze nie do końca, chce zająć Jezioro Erie.

„Wykonujemy zabiegi chirurgiczne. Tak więc, w przypadku jeziora takiego jak Lake Erie, naszym celem będzie monitorowanie, gdzie zaczyna się kwitnienie na początku sezonu.”

w międzyczasie zabytki Harel znajdują się na innych dużych jeziorach, takich jak Jezioro Okeechobee na Florydzie, ósme co do wielkości jezioro w kraju, które jest wciąż 13 razy mniejsze niż Jezioro Erie.

„wszystkie te jeziora są nieuleczalne, pozostawione do kwitnienia, a kwitnienie z roku na rok się pogarsza” – powiedział dyrektor generalny Eyal Harel, brat Moshe Harela, z jezior, które Bluegreen już leczył. „Myślę, że będziemy leczyć Jezioro Erie. To tylko kwestia czasu.”