Met de toenemende frequentie en omvang van giftige zoetwateralgenbloei die een steeds zorgwekkender probleem voor de volksgezondheid wordt, Carnegie-wetenschappers Jeff Ho en Anna Michalak, samen met collega's, hebben nieuwe vorderingen gemaakt in het begrijpen van de drijfveren achter Lake Erie-bloei en hun implicaties voor het herstel van het meer. Het werk is gepubliceerd in twee verwante studies.

Met behulp van gegevens van NASA's Landsat 5-instrument, de onderzoekers genereerden nieuwe schattingen van historische algenbloei in Lake Erie, meer dan een verdubbeling van het aantal jaren dat voorheen beschikbaar was voor wetenschappers om te onderzoeken, van 14 tot 32. (Deze eerste studie werd gepubliceerd in Remote sensing van de omgeving .) Door dit nieuwe historische record te verkennen, ze ontdekten dat de cumulatieve fosforbelasting op decadale schaal - dat is de afvoer die de waterweg binnenkomt - helpt om de bloeigrootte te voorspellen, naast de effecten van fosforinput in hetzelfde jaar. Het werk suggereert dat het tot tien jaar kan duren om de vruchten te plukken van de recent voorgestelde vermindering van de nutriëntenbelasting. (Deze tweede studie is gepubliceerd in de Journal of Great Lakes Research .)

Schadelijke zoetwateralgenbloei ontstaat wanneer overmatige hoeveelheden fosfor aan het water worden toegevoegd, vaak als afvoer van kunstmest. Het overtollige fosfor stimuleert de groei van waterplanten en fytoplankton zoals de blauwgroene algen Microcytsis sp ., een organisme dat een toxine produceert dat de menselijke lever aantast en ook huidirritatie kan veroorzaken.

Nergens is het probleem van giftige algenbloei zo acuut gevoeld als in Lake Erie, die grenst aan de Amerikaanse staten Ohio, Pennsylvania, en New York, en de Canadese provincie Ontario. In de jaren ’60 en ’70, algenbloei was een grote overlast, maar binationale fosfordoelen leidden tot herstel van het meer. Recenter, de bloemen zijn teruggekeerd met grotere intensiteit en gevolgen, met recordbloei in 2011 en 2015. Gifstoffen uit a Microcystis bloom in 2014 leidde tot een driedaags advies 'drink geen kraanwater' voor de 500, 000 inwoners van Toledo, Ohio, en de omgeving.

"De waterkwaliteit in het westelijke deel van Lake Erie gaat al twee decennia achteruit, " merkte hoofdauteur Jeff Ho op. "Zo'n 11 miljoen mensen zijn voor drinkwater afhankelijk van Lake Erie."

Dit urgente probleem leidde in 2016 tot de ontwikkeling van nieuwe fosfordoelen van de binationale Internationale Gemengde Commissie. De nieuwe doelen zijn een belangrijke stap in het veiligstellen van het water van Lake Erie, maar herstel zal waarschijnlijk enkele jaren duren, zelfs nadat de hoeveelheid fosfor die het meer binnenkomt, is afgenomen.

"De resultaten van onze studies suggereren dat fosfor dat gevangen zit in sedimenten van meren nog enkele jaren opnieuw in het meer wordt vrijgelaten, jaar na jaar bloemen voeden, " merkte co-auteur Anna Michalak op.

Michalak en Ho waren gemotiveerd om aan deze studies te beginnen nadat ze zich realiseerden dat alle huidige pogingen om giftige bloemen in Lake Erie te modelleren, waren gebaseerd op minder dan vijftien jaar aan gegevens. "Zou ons begrip van meerprocessen veranderen als we terug konden gaan om te zien wat er gebeurde in de jaren '80 en '90?" Michalak herinnert zich de vraag.

De eerste stap was om nieuwe informatie over historische bloemen te verzamelen uit bestaande satellietrecords. Om dit te doen, het team keek naar het Landsat 5-archief, die teruggaat tot 1984. Met behulp van een nieuw ontwikkelde methode die is gebaseerd op meerdere metrieken van bloeiaanwezigheid, verdeling, maat, en timing, ze evalueerden elf kandidaat-Landsat-algoritmen, en vond degene die het best overeenkwam met bestaande gegevens van de afgelopen jaren. Vervolgens pasten ze dit algoritme toe om bloemen in kaart te brengen tot 1984, meer dan een verdubbeling van het bestaande historische record, en hun vermogen om trends en oorzaken te begrijpen drastisch vergroten.

"Deze multi-metrische benadering voor het identificeren van het beste algoritme voor detectie van bloei gaf ons een uitgebreid beeld van de sterke en zwakke punten van elk algoritme, " merkte Ho op.

Met deze nieuwe bloeigegevens in de hand, de onderzoekers onderzochten relaties tussen de ernst van de bloei en de watertoevoer naar het meer, vooral fosfor. De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid fosfor die elk voorjaar het meer binnenkomt, samen met de hoeveelheid fosfor die de afgelopen tien jaar in het meer was terechtgekomen, zou driekwart van de jaar-op-jaar variabiliteit in bloeigrootte over de driejarige recordperiode kunnen verklaren.

"De cumulatieve fosforbelasting, indicatief voor langetermijntrends in bloeigrootte, was de sleutel om te begrijpen waarom sommige bloemen zich hadden voorgedaan gedurende jaren met zeer weinig afvoer van fosfor in de lente, " merkte Ho op. "Het verklaart ook waarom de bloemen de laatste jaren groter zijn geworden, zelfs meer dan we hadden verwacht op basis van jaarlijkse veranderingen in de lentebelasting alleen, ", voegde Michalak eraan toe.

"Het pad voor Lake Erie is duidelijk - we moeten de hoeveelheid fosfor die in het meer stroomt verminderen. En we zullen geduld moeten hebben om het meer de tijd te geven om te herstellen, ’ concludeerde Michalak.