Robotlaboratoria op de bodem van Lake Erie hebben onthuld dat de modderige sedimenten daar bijna net zoveel van de nutriëntenfosfor afgeven aan de omringende wateren als elk jaar het centrale bekken van het meer binnenkomt vanuit rivieren en hun zijrivieren.

Overmatig fosfor, grotendeels uit agrarische bronnen, draagt ​​bij aan de jaarlijkse zomerbloei van cyanobacteriën die het westelijke bekken van Lake Erie en de jaarlijkse "dode zone van het centrale bekken plaagt", " een zuurstofarm gebied dat enkele duizenden vierkante mijlen van de bodem van het meer bedekt en dat de habitat voor vissen en andere organismen vermindert.

Het vrijkomen van fosfor uit de sedimenten van Lake Erie tijdens perioden van weinig zuurstof - een fenomeen dat bekend staat als zelfbevruchting of interne belasting - wordt sinds de jaren zeventig erkend. Maar de nieuwe studie onder leiding van de Universiteit van Michigan is de eerste keer dat het proces stap voor stap gedurende een heel seizoen wordt gevolgd met behulp van sensoren op de bodem van het meer.

De auteurs van de nieuwe studie, online gepubliceerd op 18 februari in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie Water , zeggen dat zelfbevruchting waarschijnlijk de ernst van de dode zone van het centrale bekken van Lake Erie vergroot en het in de toekomst moeilijker te controleren kan maken, naarmate het klimaat verder opwarmt.

"Tot nu, we hadden geen bewijs om vast te stellen wanneer en waar dit fenomeen zich voordoet in Lake Erie en hoeveel het bijdraagt ​​aan voedingsstoffen in het meer, " zei hoofdauteur Hanna Anderson, een onderzoekstechnicus bij UM's Cooperative Institute for Great Lakes Research die het werk deed voor een masterscriptie aan de School for Environment and Sustainability.

"Deze nieuwe metingen hebben ons in staat gesteld om te schatten dat dit zelfbevruchtingsproces tot 11 bijdraagt, 000 ton fosfor naar het meerwater elke zomer, een hoeveelheid die dicht in de buurt komt van de totale jaarlijkse afvoer van fosfor uit rivieren en zijrivieren naar het centrale deel van het meer, " zei Casey Godwin, een assistent-onderzoeker aan het instituut en een co-auteur van het papier.

Inspanningen om de nutriëntenvervuiling van Lake Erie te beheersen, of eutrofiëring, hebben zich gericht op het verminderen van de hoeveelheid fosforrijke afvoer van boerderijen en andere bronnen die vanuit rivieren en hun zijrivieren het meer instromen. in 2016, de Amerikaanse en Canadese regeringen hebben een fosforreductiedoelstelling van 40% aangenomen.

De auteurs van de nieuwe Milieuwetenschap en -technologie Water studie zegt dat zelfbevruchting door fosfor (P) dat vrijkomt uit sedimenten op de bodem van het meer ook moet worden overwogen.

"Milieumanagers die belast zijn met het verminderen van zijbelasting, moeten rekening houden met interne belastingsschattingen bij het bepalen hoe de totale P-belasting in evenwicht moet worden gebracht, " schreven ze. "Historische en aanhoudende sediment P-lading vertegenwoordigt een vertraagde reactie van het meer op eutrofiëring en voorkomt het succesvolle beheer van een systeem wanneer alleen externe P-lading wordt overwogen."

Naast een aantal UM-wetenschappers, auteurs van het artikel zijn onder meer onderzoekers van het Great Lakes Environmental Research Laboratory van de National Oceanic and Atmospheric Administration. U-M-wetenschappers en medewerkers van CIGLR werken samen met NOAA GLERL aan een aantal projecten zoals deze.

De onderzoekers hebben eind juli 2019 twee kleine autonome laboratoria ingezet op locaties op de bodem van het meer in het centrale bassin van Lake Erie - een op een diepte van 27 meter en de andere op een diepte van 27 meter - en lieten ze daar meer dan twee maanden liggen.

De zelfstandige scheikundelaboratoria, vervaardigd door SeaBird Scientific en eigendom van de NOAA-medewerkers van het team, zijn cilinders 22 inch lang en 7 inch breed. De laboratoria en hun batterijen werden in een beschermend stalen frame geplaatst dat vanaf de achtersteven van een schip werd neergelaten. De metalen kooi was bevestigd aan een gewicht van 150 pond en twee witte drijvers die hem van de bodem hielden.

De autonome analysers waren geprogrammeerd om elke zes uur de fosforconcentraties in het water te meten. Ze bewaakten ook de watertemperatuur en het gehalte aan opgeloste zuurstof. Op elke locatie werden meer dan 300 fosformetingen gedaan voordat de apparaten begin oktober werden teruggevonden.

Deze voorheen onbereikbare dataset leverde enkele verrassende bevindingen op.

Bijvoorbeeld, eerdere studies hadden gesuggereerd dat voedingsstoffen uit sedimenten op de bodem van het meer beginnen te stromen wanneer de opgeloste zuurstofconcentraties in de omringende wateren tot zeer lage niveaus dalen, een aandoening die hypoxie wordt genoemd.

Maar de scheikunderobots toonden aan dat de fosforstroom niet begon tijdens hypoxie, zelfs niet toen het zuurstofniveau daalde tot onder het punt waarop vissen kunnen overleven.

In plaats daarvan, de "positieve P-flux" uit de sedimenten begon 12 tot 24 uur nadat het opgeloste zuurstofgehalte in het water op de bodem van het meer tot nul was gedaald, een aandoening die anoxie wordt genoemd. Op de twee centrale bekkensites in Lake Erie, die periode begon in de late zomer en duurde tot begin oktober.

"Binnen 24 uur nadat de zuurstof volledig was verdwenen, we registreerden een snelle toename van fosfor in het water, en dit ging door totdat de concentratie op de bodem van het meer meer dan honderd keer hoger was dan aan de oppervlakte, " zei senior auteur Thomas Johengen, directeur van UM's Cooperative Institute for Great Lakes Research.

"Onze bevindingen over de timing van het vrijkomen van fosfor in verhouding tot het zuurstofgehalte in het water zijn de eerste in hun soort voor de Grote Meren en vertegenwoordigen een nieuwe toepassing van deze technologie, ’, zei Johangen.

Weten wanneer de fosforafgifte begon, de stroomsnelheid van de sedimenten, en de duur van de anoxische periode stelde de onderzoekers in staat om de totale hoeveelheid fosfor te schatten die elk jaar aan het centrale bassin van Lake Erie wordt toegevoegd als gevolg van interne belasting.

De onderzoekers schatten dat Erie's sedimenten op de bodem van het meer jaarlijks tussen de 2, 000 en 11, 500 ton fosfor. De bovenkant van dit bereik is gelijk aan de geschatte jaarlijkse instroom van fosfor naar het centrale stroomgebied van Lake Erie vanuit rivieren en zijrivieren:10, 000 tot 11, 000 ton.

De vrijgekomen fosfor is in een gemakkelijk verkrijgbare vorm genaamd oplosbare reactieve fosfor, of SRP, die waarschijnlijk de algengroei in het centrale bekken voedt. Wanneer die algen sterven en zinken, bacteriën breken de organische stof af en verbruiken daarbij zuurstof. Het resultaat:een zuurstofarm gebied in de bodem en bijna-bodemwateren van het centrale bekken dat bekend staat als de dode zone.

"Interne belasting van fosfor uit sedimenten op de bodem van het meer kan een positieve feedbacklus worden:hypoxie leidt tot het vrijkomen van P uit de sedimenten, wat zorgt voor meer algengroei, en de dode en stervende algen verbruiken de zuurstof in het water en dragen bij aan hypoxie de volgende zomer, ' zei Godwin.

"Dit soort feedback is gezien in meren over de hele wereld, en het staat in wisselwerking met voortdurende inspanningen om de fosforbelasting van de zijrivieren van Lake Erie te verminderen, " hij zei.

Aangezien de Grote Meren de komende jaren blijven opwarmen als gevolg van door de mens veroorzaakte klimaatverandering, De dode zone van het centrale bekken van Lake Erie zal zich naar verwachting eerder vormen en elk jaar langer duren, wat resulteert in een grotere aanvoer van fosfor die vrijkomt uit de sedimenten, volgens de auteurs van de studie.

De huidige studie toont het potentieel aan voor het gebruik van robotlaboratoria om die veranderingen te monitoren, evenals eventuele veranderingen die kunnen optreden als gevolg van de verminderde stroom van voedingsstoffen naar Lake Erie vanuit rivieren en zijrivieren, volgens de auteurs. Interne belasting van sedimenten in het centrale bekken heeft waarschijnlijk geen invloed op de ernst van de algenbloei in het westelijke bekken van Lake Erie, volgens de onderzoekers.

"NOAA's missie in de Grote Meren omvat observeren, het begrijpen en voorspellen van belangrijke gebeurtenissen zoals interne belasting. Heel vaak, de ontwikkeling en toepassing van geavanceerde technologie zoals deze kan een hypothese bevestigen of nieuwe inzichten verschaffen die voorheen onmogelijk waren, " zei co-auteur van de studie Steve Ruberg, senior wetenschapper bij NOAA's Great Lakes Environmental Research Laboratory.

"Dit belangrijke observatieresultaat zal bijdragen aan de samenwerking van NOAA met het Great Lakes National Program Office van de EPA in het kader van de Great Lakes Water Quality Agreement, ons begrip van fosforbelasting in de hypoxische zone en de daaropvolgende impact op het ecosysteem van Lake Erie aanzienlijk verbeteren, ' zei Ruberg.