Frigivelse af næringsstoffer fra søbundsedimenter forværrer Lake Eries årlige døde zone

Robotlaboratorier på bunden af ​​Lake Erie har afsløret, at de mudrede sedimenter der frigiver næsten lige så meget af næringsstoffet fosfor i de omgivende farvande, som det kommer ind i søens centrale bassin hvert år fra floder og deres bifloder.

Overdreven fosfor, hovedsagelig fra landbrugskilder, bidrager til den årlige sommerblomstring af cyanobakterier, der plager Eriesøens vestlige bassin og det centrale bassins årlige "døde zone", "en iltsultet region, der dækker flere tusinde kvadratkilometer af søbunden, og som reducerer levesteder for fisk og andre organismer.

Frigivelsen af ​​fosfor fra Lake Erie-sedimenter i perioder med lavt iltindhold - et fænomen kendt som selvbefrugtning eller intern belastning - er blevet anerkendt siden 1970'erne. Men den nye University of Michigan-ledede undersøgelse markerer første gang, at processen er blevet overvåget trin for trin i en hel sæson ved hjælp af søbundssensorer.

Forfatterne til den nye undersøgelse, offentliggjort online 18. februar i tidsskriftet Miljøvidenskab og teknologi Vand , sige, at selvbefrugtning sandsynligvis øger sværhedsgraden af ​​Lake Eries døde zone i det centrale bassin og kan gøre det sværere at kontrollere i fremtiden, da klimaet bliver ved med at varme.

"Indtil nu, vi manglede beviser for at finde ud af, hvornår og hvor dette fænomen opstår i Lake Erie, og hvor meget det bidrager til næringsstoffer i søen, " sagde studielederforfatter Hanna Anderson, en forskningstekniker ved U-M's Cooperative Institute for Great Lakes Research, der lavede arbejdet til en kandidatafhandling på Skolen for Miljø og Bæredygtighed.

"Disse nye målinger har gjort det muligt for os at vurdere, at denne selvbefrugtningsproces bidrager med op til 11, 000 tons fosfor til søvandet hver sommer, en mængde, der er tæt på den samlede årlige afstrømning af fosfor fra floder og bifloder til den centrale del af søen, " sagde Casey Godwin, en assisterende forsker ved instituttet og en medforfatter af papiret.

Bestræbelser på at kontrollere Lake Erie næringsstofforurening, eller eutrofiering, har fokuseret på at reducere mængden af ​​fosforrig afstrømning fra gårde og andre kilder, der løber ud i søen fra floder og deres bifloder. I 2016 de amerikanske og canadiske regeringer vedtog et mål for fosforreduktion på 40 %.

Forfatterne til det nye Miljøvidenskab og teknologi Vand undersøgelse siger, at selvbefrugtning af fosfor (P) frigivet fra søbundssedimenter også skal overvejes.

"Miljøforvaltere, der har til opgave at reducere tilløbsbelastningen, skal tage interne belastningsestimater i betragtning, når de bestemmer, hvordan den samlede P-belastning skal balanceres, " skrev de. "Historisk og vedvarende sediment P-belastning repræsenterer en forsinket sørespons på eutrofiering og forhindrer en vellykket styring af et system, når kun ekstern P-belastning tages i betragtning."

Ud over adskillige U-M-forskere, forfatterne af papiret omfatter forskere fra National Oceanic and Atmospheric Administration's Great Lakes Environmental Research Laboratory. U-M-forskere og ansatte ved CIGLR samarbejder med NOAA GLERL om en række projekter som dette.

Forskerne indsatte to små autonome laboratorier på søbundssteder i Lake Eries centrale bassin - det ene i en dybde på 67 fod og det andet i en dybde på 79 fod - i slutningen af ​​juli 2019 og efterlod dem der i mere end to måneder.

De selvstændige kemi-laboratorier, fremstillet af SeaBird Scientific og ejet af holdets NOAA-samarbejdspartnere, er cylindre 22 tommer lange og 7 tommer brede. Laboratorierne og deres batterier blev placeret inde i en beskyttende stålramme, der blev sænket ned fra agterenden af ​​et skib. Metalburet var fastgjort til en vægt på 150 pund og to hvide flydere, der holdt det væk fra bunden.

De autonome analysatorer var programmeret til at måle fosforkoncentrationer i vandet hver sjette time. De overvågede også vandtemperatur og niveauer af opløst ilt. Mere end 300 fosformålinger blev foretaget på hvert sted, før apparaterne blev hentet i begyndelsen af ​​oktober.

Dette tidligere uopnåelige datasæt gav nogle overraskende resultater.

For eksempel, tidligere undersøgelser havde antydet, at næringsstoffer begynder at strømme ud af søbundsedimenter, når koncentrationen af ​​opløst ilt i de omgivende vand falder til meget lave niveauer, en tilstand kaldet hypoxi.

Men kemirobotterne viste, at strømmen af ​​fosfor ikke begyndte under hypoxi - selv når iltniveauet faldt til under det punkt, hvor fisk kan overleve.

I stedet, den "positive P-flux" fra sedimenterne begyndte 12 til 24 timer efter, at niveauet af opløst ilt i søbundens vand faldt til nul, en tilstand kaldet anoksi. Ved de to centrale bassinsteder i Lake Erie, den periode begyndte i sensommeren og fortsatte ind i begyndelsen af ​​oktober.

"Inden for 24 timer efter, at ilten forsvandt helt, vi registrerede en hurtig stigning af fosfor i vandet, og dette fortsatte, indtil koncentrationen på bunden af ​​søen var mere end hundrede gange højere end ved overfladen, " sagde seniorforfatter Thomas Johengen, direktør for U-M's Cooperative Institute for Great Lakes Research.

"Vores resultater om tidspunktet for frigivelse af fosfor i forhold til iltniveauet i vandet er de første af deres slags for De Store Søer og repræsenterer en ny anvendelse af denne teknologi, " sagde Johengen.

At vide, hvornår fosforfrigivelsen begyndte, strømningshastigheden fra sedimenterne, og varigheden af ​​den anoxiske periode gjorde det muligt for forskerne at estimere den samlede mængde fosfor, der tilføres Lake Eries centrale bassin hvert år på grund af intern belastning.

Forskerne vurderede, at Eries søbundsedimenter årligt frigiver mellem 2, 000 og 11, 500 tons fosfor. Den høje ende af dette område svarer til den omtrentlige årlige tilstrømning af fosfor til Eriesøens centrale bassin fra floder og bifloder:10, 000 til 11, 000 tons.

Det frigivne fosfor er i en let tilgængelig form kaldet opløseligt reaktivt fosfor, eller SRP, som sandsynligvis giver næring til algevækst i det centrale bassin. Når disse alger dør og synker, bakterier nedbryder det organiske stof og forbruger ilt i processen. Resultatet:et iltsultet område i bund- og nærbundsvandene i det centrale bassin kendt som den døde zone.

"Intern belastning af fosfor fra søbundsedimenter kan blive en positiv feedback-løkke:Hypoxi fører til frigivelse af P fra sedimenterne, som forårsager mere algevækst, og de døde og døende alger forbruger ilten i vandet og bidrager til hypoxi den følgende sommer, " sagde Godwin.

"Denne type feedback er set i søer verden over, og det interagerer med igangværende bestræbelser på at reducere fosforbelastninger fra Eries-søens bifloder, " han sagde.

Da De Store Søer fortsætter med at varme i de kommende år på grund af menneskeskabte klimaændringer, Lake Eries døde zone i det centrale bassin forventes at dannes tidligere og vare længere hvert år, resulterer i en større tilførsel af fosfor frigivet fra sedimenterne, ifølge undersøgelsens forfattere.

Den nuværende undersøgelse viser potentialet for at bruge robotlaboratorier til at overvåge disse ændringer, såvel som eventuelle ændringer, der kan forekomme på grund af den nedsatte strøm af næringsstoffer til Lake Erie fra floder og bifloder, ifølge forfatterne. Intern belastning fra sedimenter i det centrale bassin påvirker sandsynligvis ikke sværhedsgraden af ​​Lake Eries algeopblomstring i det vestlige bassin, ifølge forskerne.

"NOAAs mission i De Store Søer omfatter observation, at forstå og forudsige væsentlige begivenheder såsom intern belastning. Meget ofte, udvikling og anvendelse af avanceret teknologi som denne kan bekræfte en hypotese eller give ny indsigt, der tidligere var umulig, " sagde studie medforfatter Steve Ruberg, seniorforsker ved NOAA's Great Lakes Environmental Research Laboratory.

"Dette vigtige observationsresultat vil bidrage til NOAA's samarbejde med EPA's Great Lakes National Program Office under Great Lakes Water Quality Agreement, markant forbedring af vores forståelse af belastning af fosfor i hypoxisk zone og den efterfølgende indvirkning på Lake Erie-økosystemet, sagde Ruberg.