English
Jeśli w dzisiejszym numerze „Wodnych Spraw” piszemy o życiu w głębinach oceanu, to nie mogło zabraknąć wzmianki o kolejnym doniesieniu na temat negatywnego wpływu ogrzewania wód oceanicznych i działalności wydobywczej człowieka na różnorodność biologiczną. Piszemy też o pracy poruszającej zagadnienie wykorzystania zobrazowań satelitarnych do oceny wpływu występowania „czerwonego zakwitu” śniegu na lodowcach Ameryki Północnej na przyspieszenie ich topnienia. Będzie też sporo o narzędziach statystycznych do oceny stanu wód i opracowaniu systemu wczesnego ostrzegania przed niepożądanymi zmianami ich jakości, a tak że o wpływie eutrofizacji i humifikacji na głębokość stratyfikacji jezior i zbiorowiska fitoplanktonu.
1. Experimental mining plumes and ocean warming trigger stress in a deep pelagic jellyfish
Stenvers V.I., Hauss H., Bayer T. et al. (2023). Experimental mining plumes and ocean warming trigger stress in a deep pelagic jellyfish. Nat Commun 14, 7352.
Głównym zagrożeniem dla fauny pelagicznej oceanów jest globalny wzrost temperatury wód, wywołany emisją gazów cieplarnianych. Organizmy baty- i abisopelagialu ewoluowały w stosunkowo stabilnych warunkach termicznych, przez co ich tolerancja fizjologiczna na zmiany termiczne jest bardzo niska. Międzynarodowy zespół naukowców zbadał wpływ symulowanego ocieplenia oceanu oraz wywołanego działalnością wydobywczą naruszania osadów na meduzę hełmową Periphylla periphylla (Péron & Lesueur, 1810). Jest to kosmopolityczny, powszechnie występujący gatunek, który bytuje na głębokości 4 tys. m., co sprawia, że jest to dobry organizm modelowy do testowania wpływu ocieplenia i górnictwa na głębinową faunę oceaniczną. Badania objęły skutki fizjologiczne, ekspresję genów oraz zmiany w powiązanej mikrobiocie. Podgrzanie wód o 4°C spowodowało wzrost tempa metabolizmu P. periphylla, zwiększoną ekspresję genów związanych z wrodzoną odpornością oraz ograniczenie respiracji. Natomiast wprowadzenie zawiesiny nieorganicznej (symulowana resuspensja osadów) wywołało bardzo kosztowną energetycznie reakcję, polegającą na zwiększeniu wydzielania śluzu. Stymulowało też geny związane z oddychaniem tlenowym i procesem gojenia ran. Żaden z testowanych czynników stresogennych nie miał natomiast wpływu na zespół drobnoustrojów symbiotycznych. Praca przedstawia pierwsze wyniki w zakresie fizjologicznej, molekularnej i mikrobiologicznej reakcji meduzy głębinowej na stresory środowiskowe, co stanowi kluczowy krok w kierunku oceny wpływu presji na stan głębinowych pelagicznych stref oceanów. Jeśli reakcje te są reprezentatywne dla innej fauny głębinowej, skutki eksploatacji zasobów dna morskiego mogą mieć niekorzystny wpływ na różnorodność biologiczną głębin pelagicznych i funkcjonowanie całego ekosystemu.
2. Satellite mapping of red snow on North American glaciers
Engstrom C. B., Quarmby L. M. (2023). Satellite mapping of red snow on North American glaciers. Sci. Adv. 9, eadi3268.
Zjawisko „czerwonego śniegu”, czyli zakwitu spowodowanego przez słodkowodne mikroorganizmy, tzw. glony śnieżne, powoduje – obok osadzania sadzy i pyłu mineralnego – ciemnienie powierzchni letnich pól śnieżnych, przyspieszając ich topnienie. O zjawisku zakwitu tych glonów pisaliśmy w jednym z pierwszych numerów „Wodnych Spraw”. Okazuje się, że współczesne techniki pomiaru środowiska umożliwiają skwantyfikowanie jego skali. Dwaj kanadyjscy naukowcy z Simon Fraser University w Burnaby przeprowadzili mapowanie i analizę rozkładu zakwitów glonów śnieżnych w latach 2019-2022 na lodowcach w północno-zachodniej części Ameryki Północnej. Wykorzystali do tego ponad 6 tys. zdjęć satelitarnych pozyskanych z Sentinel-2 oraz algorytm klasyfikatora Random Forest. Ich analizy potwierdziły występowanie zakwitów na 5 proc. całkowitego obszaru zlodowacenia, co w znacząco negatywny sposób oddziaływało na pokrywę śnieżną badanego obszaru. W przypadku pojedynczych lodowców nawet 65 proc. powierzchni w danym roku było pokryte zakwitem, co według szacunków naukowców powodowało roztopienie 3,1 ± 1,2 cm ekwiwalentu wody śnieżnej (ang. snowmelt warter equiwalent), co równa się warstwie śniegu o miąższości około 5,5 cm. Najwyższym udziałem powierzchni pokrytej glonami charakteryzowały się lodowce mające poniżej 10 km2. Na dużych polach lodowych i lodowcach procent pokrycia był mniejszy, ale bezwzględne powierzchnie zakwitu – bardzo duże. Na przykład na lodowcu Black Rapids we wschodniej części Alaski w 2020 r. zakwit objął obszar 235 km2 (20 proc. powierzchni całkowitej). Topnienie śniegu, zgodnie z oczekiwaniami naukowców, było wprost proporcjonalne do powierzchni zakwitu i uzależnione od czasu jego trwania i intensywności. Wyniki te pokazują znaczenie albedo „czerwonego śniegu” dla zanikania lodowców na obszarach Ameryki Północnej, ale też pokazują możliwości wykorzystania informacji zdalnej do kwantyfikacji tego zjawiska.
3. Lake browning counteracts cyanobacteria responses to nutrients: Evidence from phytoplankton dynamics in large enclosure experiments and comprehensive observational data
Lyche Solheim A., Gundersen H., Mischke U. et al. (2023). Lake browning counteracts cyanobacteria responses to nutrients: Evidence from phytoplankton dynamics in large enclosure experiments and comprehensive observational data. Global Change Biology, 00, e17013.
Ekosystemy wodne na całym świecie poddawane są presji wielu czynników stresogennych. O ile wszyscy mamy świadomość skutków nadmiernej dostawy substancji biogennych (eutrofizacji), zjawisko brązowienia wód (humifikacji) w wyniku spływów substancji humusowych oraz jego konsekwencji dla termicznej stratyfikacji wód jezior nie jest dostatecznie rozpoznane, szczególnie w kontekście zmiany klimatu. Problemowi współoddziaływania eutrofizacji, humifikacji i zaburzeń stratyfikacji termicznej wód na zespoły fitoplanktonu w jeziorach Europy północnej i centralnej przyjrzał się zespół naukowców z kilku europejskich ośrodków. Przeanalizowali oni wyniki badań z trzech źródeł informacji: (a) eksperymentów założonych na czystowodnym jeziorze Stechlin w północno-wschodnich Niemczech, gdzie testowano gradienty trofii wód (dostawa biogenów) oraz jej barwy (poprzez dodawanie silnie barwiącej substancji HumiFeed) w połączeniu z głębokim mieszaniem pod kątem wpływu na biomasę i skład zbiorowiska fitoplanktonu; (b) 25-letni szereg czasowy z jeziora Vansjø-Vanemfjorden (południowo-wschodnia Norwegia) uwzględniający dynamikę składników odżywczych i brązowienia; (c) duży zbiór danych z niemal 600 jezior w całej Europie Północnej, obejmujący dane o substancjach odżywczych i barwie wody.
Wyniki eksperymentów wykazały, że brązowienie wód ograniczało stymulujący wpływ składników odżywczych na fitoplankton (działanie antagonistyczne) i powodowało zmianę jego składu taksonomicznego z dominacji fototroficznych cyjanobakterii i zielenic na miksotroficzne kryptofity. Zmiana ta była najprawdopodobniej spowodowana ograniczeniem dostępu światła na skutek zmiany barwy wody. Analiza danych z szeregów czasowych potwierdziła wyniki eksperymentów, wskazując, że brązowienie ograniczało biomasę zarówno sinic, jak i całego zbiorowiska fitoplanktonu. Zarówno wyniki eksperymentalne, jak i archiwalne wykazały niższe wartości progowe fosforu całkowitego dla rozwoju zakwitów sinicowych w jeziorach czystych (10–20 μg P L−1) niż w jeziorach humusowych (20–30 μg P L−1). Odkrycie to ma zastosowanie do zarządzania jeziorami o zwiększonej dostawie składników odżywczych i substancji humusowych, głównie w wyniku coraz częstszych ekstremalnych zjawisk pogodowych.
4. Setting nutrient boundaries to protect aquatic communities: The importance of comparing observed and predicted classifications using measures derived from a confusion matrix
Phillips G., Teixeira H., Kelly M. et al. (2024). Setting nutrient boundaries to protect aquatic communities: The importance of comparing observed and predicted classifications using measures derived from a confusion matrix. Science of The Total Environment, 168872.
Warunkiem ochrony i utrzymania różnorodności biologicznej wód i ich odporności na presję jest określenie takich wartości granicznych dla substancji biogennych (i innych parametrów jakości wód), które będą chronić i wspierać integralność ekologiczną ekosystemów. Jednak okazuje się, że zadanie to nie jest proste, a wiele krajów UE, które wdrażają regulacje Ramowej Dyrektywy Wodnej, potrzebuje jasnych wytycznych metodycznych, by podejść do tego zagadnienia. Opracowanie takich wskazówek jest zadaniem grup roboczych przy KE, a publikacja, która właśnie ukazała się w „STOTEN”, prezentuje wyniki pracy zespołu naukowców z takiej właśnie grupy, której mam przyjemność być członkiem od kilku lat. Zespół wykorzystał sztucznie wygenerowane oraz rzeczywiste dane o stężeniu biogenów (na przykładzie fosforu całkowitego) i wartościach wskaźników jakości ekologicznej (na przykładzie fitoplanktonu) z jezior europejskich do przetestowania szerokiej gamy statystycznych miar dokładności i precyzji klasyfikacji w oparciu o tzw. matrycę pomyłek (ang. „confusion matrix”). Matryca ta analizuje proporcje zgodności klasyfikacji na podstawie zmiennej środowiskowej (fosfor) i zmiennej zależnej (fitoplankton) w układzie 2×2 (tu stan co najmniej dobry i gorszy niż dobry). Jednym z kluczowych wyzwań w tym podejściu jest obiektywny wybór prawdopodobieństwa, na podstawie którego wyznacza się wartość graniczną dla parametru środowiskowego. Na wartość tę istotny wpływ ma również kształt odpowiedzi zmiennej zależnej od stresora.
Przeprowadzone analizy umożliwiły wskazanie statystyk najbardziej odpowiednich do wyznaczania wartości progowych w różnych scenariuszach. Zastosowanie rekomendowanego podejścia na danych rzeczywistych dla przykładowego typu jezior (bardzo płytkie nizinne jeziora na podłożu wapiennym) pozwoliło na wskazanie najbardziej prawdopodobnego zakresu stężenia fosforu całkowitego, wspierającego dobry stan fitoplanktonu i wynoszącego od 60 do 83 µg l-1, lub przy bardziej restrykcyjnym podejściu – wartości 48 µg l-1. Niemniej autorzy podkreślają, że wszelkie kryteria do oceny stanu wód, niezależnie od przyjętego podejścia statystycznego, zawsze będą wymagały krytycznej oceny przed podjęciem decyzji o ich wdrożeniu. Zaproponowane podejście zasługuje na uwagę władz odpowiedzialnych za gospodarkę wodną w naszym kraju.
Praca ta jest kolejną z serii publikacji tego zespołu badawczego na temat podejść metodycznych do ustalania standardów środowiskowych dla wód. Ma ona bardzo metodyczny charakter i opiera się w zasadzie wyłącznie na dywagacjach statystycznych, ale dobrze obrazuje złożoność i niuansowanie problemu ustalenia wiarygodnych kryteriów do oceny stanu wód powierzchniowych w kontekście zapewnienia ich dobrego stanu ekologicznego. Wszystkim, którzy myślą, że to było proste zadanie, serdecznie polecam lekturę.
5. Rapid assessment of surface water quality using statistical multivariate analysis approach: Oder River system case study
Balcerowska-Czerniak G., Gorczyca B. (2024). Rapid assessment of surface water quality using statistical multivariate analysis approach: Oder River system case study. Science of The Total Environment, 912, 168754.
A skoro już jesteśmy przy narzędziach do monitorowania i oceny wód pozostających pod wpływem oddziaływań człowieka, to warto przedstawić rodzimą pracę dwóch naukowczyń, która podejmuje problematykę opracowania systemu alarmowania o przekroczeniach stanu jakościowego wód w kontekście zeszłorocznej katastrofy w Odrze. Autorki wykorzystują w niej wyniki monitoringu jakości wód Odry w trakcie i po katastrofie odrzańskiej do opracowania uniwersalnej metodologii interpretowania wielu parametrów pomiarowych jednocześnie i wczesnego wykrywania próbek odstających. Podejście to wykorzystuje wielowymiarowy statystyczny wykres kontroli jakości oparty na modelu analizy głównych składowych (PCA) z dwoma dobrze znanymi miarami odchyleń: statystyką T2 Hotelinga i statystyką Q. Proponowany wskaźnik TQ_PCA umożliwia ocenę on-line jakości próbki wody, bez konieczności posiadania konkretnej wiedzy i założeń dotyczących granic kontrolnych dla monitorowanych parametrów. Wskaźnik wykazał bardzo dobrą wydajność analizy zbioru danych fizykochemicznych jakości wody ze stacji polskich oraz stacji niemieckiej we Frankfurcie nad Odrą. Jak deklarują autorki, zaproponowane podejście można łatwo rozszerzyć na dowolne badania obejmujące duży zbiór danych monitoringowych z dowolnego przemysłowego procesu chemicznego. Czy zaproponowana metoda znajdzie szersze zastosowanie, to przyszłość pokaże, ale z pewnością stanowi istotny głos w dyskusji nad koniecznością wdrażania systemów wczesnego ostrzegania w zarządzaniu jakością wód. Praca ukazała się w czasopiśmie „STOTEN”, które ostatnio jest chyba wdzięczną platformą dla tematów odrzańskich.
