Под поверхностью рек, озер и морских прибрежных вод находится малоизученный мир донных отложений, которые играют решающую роль в поддержании здоровья водных экосистем. Потоки азота и фосфора из донных отложений в вышележащие воды способствуют росту и токсичному цветению водорослей, которое ухудшают качество воды, нарушает благополучие и условия отдыха людей, снижает стоимость прибрежной недвижимости и подрывает туризм, рыболовство и аквакультуру.
Исследователи океанографического института Харбор-Бранч Атлантического университета Флориды (FAU) стали первыми, кто непрерывно отслеживает обмен различными формами азота между донными отложениями и вышележащей водой. Новый подход позволяет измерять количество аммония (NH₄⁺), выделяющегося из донных отложений, фактически в режиме реального времени. Измерения проводятся несколько раз в сутки, в течение неограниченного периода времени, что дает детальную картину этого важнейшего обмена питательными веществами и показывает приоритетные источники нутриентов для цветущих водорослей.
Новое устройство под названием CAROSEL (Chamber ARray for Observing Sediment Exchanges Long-term, дословно «камерный массив для долгосрочного наблюдения за обменом осадками») — это интеллектуальная система подводного мониторинга, предназначенная для изучения того, как химические вещества перемещаются между озерными или океанскими отложениями и водой над ними. В отличие от прежних методов, которые требовали двух рейсов на лодке (или судне) и привлечения водолазов для установки и извлечения приборов, CAROSEL работает автоматически, проводя множество измерений каждый день без участия человека в течение нескольких недель.
Для проведения исследования ученые протестировали CAROSEL в мелководном пруду для хранения пресной воды на территории кампуса филиала FAU Harbor в Форт-Пирсе. Цель состояла в том, чтобы лучше понять взаимодействие питательных веществ и кислорода как в суточном, так и в многодневном циклах, что позволило бы лучше оценить общее количество доступного азота в зависимости от времени суток и погоды.
Результаты их исследования, опубликованные в журнале Limnology & Oceanography, показывают, что поступление кислорода в воду соответствовало суточному ритму: днем оно увеличивалось за счет фотосинтеза, а ночью уменьшалось за счет дыхания потребляющих кислород организмов. Отложения постоянно потребляли кислород из вышележащей воды. Они также выделяли NH₄⁺ на протяжении всего исследования, в то время как в толще воды наблюдались признаки добавления азота в течение дня и его расщепления ночью. Это удивительное открытие, учитывая, что рост фотосинтеза в течение дня должен, казалось бы, приводить к потреблению питательных веществ именно днем.
После ливней потоки как аммония, так и нитратов быстро изменялись, что показывает, насколько эти процессы чувствительны к воздействию окружающей среды. Было также установлено, что удаление азота в процессе денитрификации является интенсивным, но при этом сильно варьируемым с течением времени.
CAROSEL фиксировал высокочастотные данные в режиме реального времени, выявляя резкие кратковременные колебания в обмене питательными веществами и кислородом. Эти результаты опровергают распространенное предположение о том, что процессы донного осаждения являются медленными или устойчиво-однообразными. Авторы исследования подчеркивают: такие инструменты, как CAROSEL, могут выявить скрытые динамические силы, формирующие качество воды.
CAROSEL предоставил нам подробное, час за часом, представление о том, как погодные и экологические изменения напрямую влияют на химический состав между дном озера и водой над ним. Такой уровень детализации помогает нам распутать сложные цепные реакции, происходящие в озерах и устьях рек, — то, что до сих пор было невероятно трудно сделать с обычными данными о бентосных потоках. Мы рассматриваем эту технологию как новый мощный инструмент для понимания того, как эти потоки влияют на динамику экосистем, особенно учитывая всплеск вредного цветения водорослей во всем мире за последние несколько десятилетий.
Этот подробный обзор поможет ученым понять, как быстро происходит круговорот питательных веществ и как такие факторы, как освещение, температура и штормы, влияют на эти изменения. CAROSEL демонстрирует большой потенциал в качестве инструмента для отслеживания и реагирования на такие проблемы, как загрязнение биогенными веществами. Метод поможет находить мертвые зоны с низким содержанием кислорода, изучать круговорот углерода, обнаруживать органические загрязнения и загрязнения тяжелыми металлами.
Что делает CAROSEL особенно ценным, так это его универсальность — он предназначен для работы как в пресноводной, так и в морской среде и может быть адаптирован для мониторинга широкого спектра веществ, от азотистых питательных веществ, таких как аммоний и нитраты, до углекислого газа или растворенных углеводородов. Авторы подчеркивают, что CAROSEL можно адаптировать для работы с любыми подводными датчиками, которые существуют сегодня на рынке.
Недавно мы узнали, что новейшие спутники для измерения уровня парниковых газов готовятся к старту на орбиту.
