Lake Eries giftiga gröna Slime blir värre med klimatförändringar

CLEVELAND, Ohio—när sommaren vindar ner stinker mycket av western Lake Erie. Grön goo-miles och miles av det-flyter på ytan, utstrålar en lukt som ruttnande fisk när den sönderfaller.

avskummet är inte bara obehagligt. Det är farligt.

skadliga algblomningar är en hälsorisk i alla 50 stater. Men Erie-sjön, den grundaste, och därför den varmaste, av de fem stora sjöarna, är unikt sårbar för algblomningar. Liksom de flesta andra vattenkroppar som lider av blommor, är sjön överbelastad med näringsämnen och bildar den perfekta grogrunden för en bakterie som är känd för att förgifta husdjur, förorena dricksvatten och skapa syreberövade ”döda zoner” som dödar vattenlevande liv.

sjöns närmaste framtid ser dyster ut: blommorna förvärras med klimatförändringar och utgör ett hot mot turism och rekreation. Men forskningen om sjöns gunky-situation blomstrar, och resultaten är relevanta över hela världen. De blågröna” algerna ” kväver Erie, Mikrocystis—som inte är riktigt alger utan en slags fotosyntetiska bakterier—vimlar i sjöar på alla kontinenter utom Antarktis.

” Varför är det en så bra konkurrent? Det är vad vi hoppas lära oss”, säger Tim Davis, docent i biologiska vetenskaper vid Bowling Green State University som har studerat skadliga algblomningar runt om i världen.

giftiga cyanobakterier, i allmänhet kallade ”giftiga alger”, brast ut i rampljuset i USA 2014, efter att en dricksvattenanläggning i Toledo, Ohio, hittade farliga nivåer av toxiner under ett rutintest och staden förklarade kranvattnet odrickbart. Hundratusentals människor lämnades klättra för att hitta säkert vatten tills Toledo lyfte förbudet mer än två dagar senare.

när nödsituationen passerade var frågan i allas sinnen: ”vad behöver vi göra för att se till att vi är säkra?”sa Pete Bucher, som började arbeta som lagstiftande assistent för state assembly district som representerar södra Toledo en månad efter stadens vattenkris. Bucher är nu verkställande direktör för vattenpolitik vid Ohio Environmental Council.

vid den tiden krävdes inte testning för cyanotoxiner, inklusive toxinet producerat av Mikrocystis, av miljöskyddsmyndigheten (EPA). Det förändrades efter Toledo.

EPA införde obligatorisk nationell övervakning av cyanotoxiner 2016 med den oreglerade Föroreningsövervakningsregeln. Regeln trädde i kraft 2018 och kommer att avslutas i år. Dricksvattenanläggningar i drabbade delar av Lake Erie har också infört kostsamma men effektiva behandlingar, inklusive oxidation, filtrering med aktivt kol och fysiskt avlägsnande eller filtrering av toxinbelastade Mikrocystisceller, som kan implementeras så snart toxiner detekteras.

om skyddsåtgärderna på plats idag-mer frekvent satellitövervakning med bilder med högre upplösning; instrument som upptäcker blommor vid dricksvattenintag; och bättre modellering av blommorna själva—hade funnits under Toledos 2014-blomning, skulle närvaron av toxinet inte ha varit en överraskning, och ”de skulle ha kunnat ta itu med det”, säger Rick Stumpf, en oceanograf vid National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). ”Det skulle inte hända igen.”

Stumpf är en del av ett team av NOAA-forskare som började använda satelliter för att uppskatta blomstorleken i Lake Erie 2009. Efter Toledo-vattenkrisen bytte NOAA från att publicera veckobulletiner på Erie ’ s bloom med hjälp av satellitbilder för att släppa nästan dagliga uppdateringar.

en perfekt katastrof

Lake Eries största biflod, Maumee River, rinner ut i Eries västra bassäng, den grundaste delen av sjön. Mer än 70 procent av Maumees vattendrag används för jordbruk, och nederbörd tvättar kväve och fosfor—de två viktigaste näringsämnena för algtillväxt—från gödselmedel som används på jordbruksmark till Maumee. Näringsämnena i avrinningen transporteras direkt till sjön.

regn och näringsnivåer är de två huvudfaktorerna som påverkar blommans storlek. Utsläpp av kväve och fosfor från jordbruket, den största källan till näringsämnen som kommer in i Lake Erie, kan kontrolleras. Men tyngre nederbörd leder till ökad näringsbelastning från alla källor, inklusive naturliga, vilket orsakar större blommor. Alger trivs i varmare vatten, och klimatförändringar förväntas ge varmare, våtare väder till regionen, vilket förvärrar befintliga faktorer.

” det är som det värsta fallet”, säger Laura Johnson, chef för National Center for Water Quality Research vid Heidelberg University.

forskare vid Heidelberg har studerat näringsbelastning i Maumee River i årtionden. Genom att jämföra dessa poster med NOAA: s algblomningsberäkningar kopplade de fosfornivåer i Maumee till blomstorlek i Lake Erie och utvecklade en säsongsblomningsprognos för sjön.

NOAA-satellitövervakningsprogrammet utvecklades till ett projekt som heter cyanobakterie Assessment Network, eller CyAN, uppkallat efter cyanobakteriernas distinkta blågröna färg och finns som en app för Android. NOAA och andra federala myndigheter övervakar nu algblomningar i 2000 USA. sjöar som kan hålla blommar tillräckligt stora för att ses med hjälp av satellitbilder, och de publicerar blominformation från sjöarna via CyAN-appen. Myndigheterna hoppas kunna stödja utvecklingen av lokala prognossystem för de sjöar som de för närvarande övervakar med hjälp av prognosmetoderna som utvecklats i Lake Erie.

men NOAA är inte klar med Lake Erie. Vissa Mikrocystisblommor är giftigare än andra, och Stumpf ser Erie som nyckeln till att utveckla en toxicitetsprognos som ännu inte finns.

”vi kan inte göra allt med satelliter”, sa han. ”Vi kan inte mäta toxicitet, eftersom toxiner inte är pigment. De har ingen färg.”

för närvarande kräver spårningstoxicitet regelbunden vattenprovtagning, något forskare vid Bowling Green gör varje vecka. Deras data hjälper till att förklara hur blommor förändras säsongsmässigt, men mindre förstås om hur toxicitet fluktuerar varje dag. Det är där medborgarforskare kommer in.

”vi vet att det finns mycket dynamik som vi saknar dagligen”, säger Davis, Bowling Green-professorn. ”Så vad vi försöker göra är att genom att integrera medborgarforskare samla in mer data som gör det möjligt för oss att se några av dessa finskaliga trender i toxinkoncentrationer, vilket förhoppningsvis tillåter oss att utveckla toxinprognosmodellen.”

Bowling Green samarbetade med flera andra universitet och NOAA för att rekrytera människor som redan arbetar på sjön varje dag, som strandchefer och charterbåtkaptener. Forskarna har fått miljontals dollar i statliga och federala bidragspengar för att stödja detta och andra algforskningsinsatser. Standardtoxintestning är komplicerad och tar timmar att slutföra, men medborgarforskarna kommer att prova vattnet med nyutvecklade testpatroner som kan mäta toxicitet på en bråkdel av tiden.

Davis hoppas att de förenklade metoderna för datainsamling kommer att utöka övervakningsfunktionerna utan att överväldiga medborgarforskarna. Han planerar att jämföra fynd från Lake Erie till Mikrocystis som finns i Afrikas Victoriasjön och andra sjöar runt om i världen, genom ett National Science Foundation-finansierat projekt som syftar till att låsa upp mysteriet om organismens globala dominans.

trots Lake Eries storlek-det sträcker sig över nästan 10 000 kvadratkilometer, fyra stater och två länder—Great Lakes Water Quality Agreement, undertecknat av USA och Kanada 1972 och uppdaterat 2012, underlättar konsekvent övervakning över gränserna.

avtalet har varit effektivt, sa Davis. Även om varje sjö är annorlunda, sa han, ” många människor ser på vad som händer i Lake Erie och forskningen som kommer ut ur Lake Erie-området för att hjälpa till att vägleda dem.”

blommar genom tiden

exponering för cyanotoxiner kan orsaka allt från ont i halsen, huvudvärk och utmattning till svåra symtom som kräkningar, lunginflammation och leverskador, enligt Center for Disease Control and Prevention. Även om man tidigare trodde att exponering endast kunde ske genom vattenburen kontakt, tyder de senaste resultaten på att luftburna cyanotoxiner kanske kan resa mer än en mil inåt landet.

”när du går till stranden och du sitter eller återskapar i en sjö som har dessa alger toxiner, kan du komma hem med de typer av symtom som bara varar en dag eller två”, säger Anne Weir Schechinger, senior analytiker i ekonomi vid Miljöarbetsgruppen. ”Det har också gjorts mer forskning på senare tid som visar dessa långsiktiga effekter, som leversvikt, och till och med vissa cancerformer som börjar associeras med dessa toxiner. Men jag skulle fortfarande säga att hälsoforskningen fortfarande är tidig.”

även om avskum finns på en sjös yta kan det vara giftfritt. Men det omvända kan också vara sant. Samtidigt som man undviker potentiellt giftigt avskum helt och hållet är det säkraste draget, varnade Schechinger för att anta att det är säkert att simma i floder, sjöar eller dammar som verkar algfria.

” du ser inte nödvändigtvis en scummy bloom. Det betyder inte att det inte finns (toxin) i vattnet,” sa hon.

en karta över toxinrådgivning är tillgänglig för Ohio offentliga stränder genom state Department of Health. Många andra stater tillhandahåller liknande resurser. Schechinger rekommenderar en online-sökning efter närliggande algertoxinrådgivning och, om ingenting kommer upp, ett samtal till den statliga byrån som övervakar blommor.

mest forskning om Mikrocystis och cyanotoxiner har uppstått under det senaste decenniet. Förhållandet mellan kväve och toxicitet är relativt väl förstått, även om fältet fortsätter att utvecklas.

den Mikrocystis som dominerar Erie-sjön kan bara växa i storlek och toxicitet tills blomman har använt allt tillgängligt kväve eller fosfor i sjön. Tidig forskning identifierade fosfor som det primära begränsande näringsämnet, ledande miljöbestämmelser som syftar till att minska alger för att endast rikta fosfor.

Microcystis behöver både fosfor och kväve för att växa, men det behöver kväve direkt för att producera sitt toxin. Så att minska fosfor, men inte kväve, skulle främja en blomning som är fysiskt mindre men sannolikt inte mindre giftig. Att minska kväve, men inte fosfor, skulle främja en blomma som är lika stor men består av en annan typ av alger som fångar kväve från luften, vilket kan vara lika giftigt.

”vi måste fokusera på båda, för att vi verkligen tittar på en helhetssyn”, sa Davis. ”Vi vill minska fosfor och vi vill minska kväve så vi har en hälsosam sjö, eftersom en hälsosam sjö har en hälsosam balans mellan båda näringsämnena.”

även om EPA nu rekommenderar att kväve minskas tillsammans med fosfor, har staternas algreduceringsinsatser varit långsamma att följa. År 2015 undertecknade Michigan, Ohio och den kanadensiska provinsen Ontario samarbetsavtalet Western Basin of Lake Erie, vilket kräver en minskning av fosforen med 40 procent-mestadels från jordbruksavrinning—som kommer in i sjön 2025. H2Ohio, som fick finansiering som en del av Ohio-budgeten i November förra året, fokuserar också på att begränsa fosforavrinning från jordbruket för att mildra algblomningar.

Ohio har inte uppnått sitt preliminära mål om en 20 procent fosforreduktion av 2020. När det gäller att uppfylla 40-procentmålet år 2025, säger Bucher, från Ohio Environmental Council, ”jag tror att vi kan komma dit. Jag tror att det bara kommer att ta en dubbel ner på ansträngning.”Att ha konsekvent finansiering kommer också att vara avgörande, sa han.

de flesta experter säger att minska mängden näringsämnen som frigörs av gårdar är det enda sättet att stoppa blommorna i en sjö så stor som Erie. Huichun” Judy ” Zhang, professor i civil-och miljöteknik vid Case Western Reserve University, vill förhindra att fosfor som redan har släppts av gårdar kommer till sjön.

hon utvecklar ett fosforfångningssystem för att mildra jordbruksavrinning, med hjälp av filter packade med små strukturer, var och en storleken på ett sesamfrö, som kan absorbera fosfor från vattnet som passerar genom. Hon har fått 200 000 dollar i bidragspengar för att stödja detta arbete.

Zhang och hennes forskningspartner, Chad Penn, en jordforskare som arbetar för US Department of Agriculture, räknar med att installera ett pilotprojekt som visar sin teknik inom en snar framtid. De planerar att placera filtren på platser där avrinning samlas naturligt, till exempel dräneringsdiken.

” på kort sikt, för att kunna skära ner fosforutsläpp i sjön, hoppas vi att det kommer att få stor inverkan,” sade Zhang. Hon förväntar sig att filtren ska fungera som en tillfällig lösning tills fosfor som frigörs av jordbruket kan minskas avsevärt.

ett israeliskt företag, BlueGreen Water Technologies, har en annan strategi. För två år sedan lanserade den en form av algecid som riktar sig mot cyanobakterier, vilket utlöser en massdöd av de giftiga algerna samtidigt som icke-toxiska former av alger-och andra vattenlevande organismer—kan överleva. Behandlingen har sett framgång i Israel, Sydafrika och Kina, liksom i Ohio Chippewa Lake, som hade plågats av giftiga blommor i flera år. Ett år efter att BlueGreen tillämpade sin ”LakeGuard”-behandling, som tog en dag och kostade cirka 20 000 dollar, förblir Chippewa Lake algerfri.

Chief Technology Officer Moshe Harel är positivt överraskad att alger inte har återvänt till Chippewa Lake. ”Vi skriver boken när vi talar”, sa han.

algblomningar i dammar eller små sjöar är relativt lätta att åtgärda. Men att behandla större sjöar är utmanande. Lake Erie är tusentals gånger större än den största sjön BlueGreen har behandlat, men till skillnad från nästan alla andra, företaget är inte avskräckt av skalan.

Harel, en miljöbiolog och skaparen av lakeguard-behandlingen, som är USDA-godkänd och certifierad av Ohio EPA, anser att behandlingens förmåga att flyta och följa vattenströmmar kommer att översättas effektivt till vilken sjö som helst, oavsett skalan. Vid någon tidpunkt, men inte riktigt än, vill han ta på Lake Erie.

”vi siktar inte på att behandla hela sjön”, sa Harel. ”Vi gör kirurgiska behandlingar. Så för en sjö som Lake Erie är vårt mål att övervaka var blomningen börjar i början av säsongen.”

under tiden ligger harels sevärdheter på andra stora sjöar, som Lake Okeechobee i Florida, den åttonde största sjön i landet, som fortfarande är 13 gånger mindre än Lake Erie.

”alla dessa sjöar är obehandlade, lämnas för att blomstra och för att blommorna ska bli värre från år till år”, säger verkställande direktör Eyal Harel, Moshe harels bror, av sjöarna BlueGreen har redan behandlat. ”Jag tror att vi kommer att behandla Lake Erie. Det är bara en tidsfråga.”