Wodny przegląd publikacji (6)

W dobie globalnego wzrostu presji człowieka na systemy Ziemi trudno się dziwić, że wiele artykułów naukowych ma charakter alarmistyczny. W bieżącym przeglądzie literatury nie mogło takich zabraknąć. Zaczynamy od doniesienia o gatunkach zagrożonych wymarciem w Europie. Statystyki są zdecydowanie pesymistyczne. Ekosystemy i ich komponenty będą wymagały coraz większego zaangażowania w ochronę lub odtworzenie ich różnorodności, funkcji i świadczonych człowiekowi usług, w tym opracowania właściwych rozwiązań legislacyjnych (np. kwestia źródlisk, które obecnie nie są objęte systematyczną ochroną prawną) czy zaangażowania grup społecznych (np. wykorzystanie wiedzy i doświadczeń rybaków rekreacyjnych w ramach nauki obywatelskiej do skuteczniejszej ochrony ichtiofauny). Konieczne jest też doskonalenie narzędzi monitoringowych z wykorzystaniem nowoczesnych technik, takich jak informacja obrazowa i modelowanie. W przeglądzie nie zabrakło też kolejnych publikacji o zasoleniu wód słodkich.

1. A multi-taxon analysis of European Red Lists reveals major threats to biodiversity

Hochkirch A., Bilz M., Ferreira C.C., et al., (2023). A multi-taxon analysis of European Red Lists reveals major threats to biodiversity. PLoS ONE, 18, 11, e0293083.

Jednym z głównych globalnych problemów naszej planety jest powszechnie obserwowany spadek różnorodności biologicznej, a liczba gatunków zagrożonych wymarciem stale rośnie. Przeciwdziałanie temu trendowi wymaga przede wszystkim właściwego zrozumienia zjawiska, jego skali, przyczyn i sposobów ograniczania. Zadania tego podjął się kilkudziesięcioosobowy zespół naukowców z różnych krajów Europy pod kierunkiem Axela Hochkircha z Musée National d’Histoire Naturelle w Luksemburgu. W oparciu o Czerwoną księgę gatunków zagrożonych IUCN (Międzynarodowa Unia Ochrony Przyrody) naukowcy przeanalizowali stan ochrony niemal 14,7 tys. europejskich gatunków lądowych, słodkowodnych i morskich (ok. 10 proc. kontynentalnej fauny i flory), w tym wszystkich kręgowców oraz wybranych grup bezkręgowców i roślin. Ich wyniki, opublikowane na początku listopada w czasopiśmie „PLoS ONE” pokazują, że niemal ¹/₅ gatunków europejskich grozi wymarcie, przy czym ryzyko wyginięcia jest wyższe w przypadku roślin (27 proc.) i bezkręgowców (24 proc.) niż kręgowców (18 proc.). W zakresie gatunków wodnych autorzy podkreślają, że stan zagrożenia wielu taksonów wskaźnikowych dla wód śródlądowych (np. jętek Ephemeroptera, widelnic Plecoptera i chruścików Trichoptera) czy morskich (np. morskie skorupiaki i mięczaki) jest nadal niedostatecznie rozpoznany. Jako główne zagrożenia dla różnorodności biologicznej autorzy wskazują zmiany w sposobie użytkowania ziemi, w tym praktyki rolnicze oraz związaną z nimi utratę siedlisk, nadmierną eksploatację zasobów biologicznych, zanieczyszczenie środowiska, a także rozwój infrastruktury urbanistycznej. Działaniami kluczowymi dla ograniczenia dalszego spadku różnorodności biologicznej są utrzymanie i przywracanie zrównoważonych praktyk w zakresie użytkowania gruntów i wód.

2. Mediterranean springs: Keystone ecosystems and biodiversity refugia threatened by global change. Global Change Biology

Fernández-Martínez M., Barquín J., Bonada N., et al., (2023). Mediterranean springs: Keystone ecosystems and biodiversity refugia threatened by global change. Global Change Biology, 00, e16997.

Ekosystemy źródliskowe są jednym z ważniejszych, ale nadal jeszcze niedostatecznie zbadanych siedlisk specyficznej fauny i flory wodnej i wodno-błotnej. Wykształcają się one na styku wód powierzchniowych i gruntowych, tworzą warunki dla wyjątkowych zespołów organizmów (w tym licznej grupy gatunków endemicznych), pełnią ważne funkcje ekologiczne i dostarczają usług ekosystemowych. Ekosystemom tym przyjrzał się zespół naukowców z Hiszpanii, Portugalii i Włoch, który opublikował wyniki przeglądu na łamach „Global Change Biology”. Autorzy przedstawiają syntezę głównych cech struktury i funkcjonowania źródlisk śródziemnomorskich, opisują ich wartości ekologiczne i wzorce różnorodności biologicznej, a także analizują główne zagrożenia, na które są narażone. Zmiany klimatyczne, skutkujące zaburzeniami wzorców temperatury, ewapotranspiracji i opadów, mogą modyfikować bilans wodny i skład chemiczny wód źródlanych. Badania naukowców wskazują, że 45 proc. źródeł w paśmie górskim Katalonii, badanych w 2013 r., w ciągu dekady całkowicie zniknęło na skutek wyschnięcia, a przepływ zmniejszył się o 92 proc. Również eutrofizacja spowodowana praktykami rolniczymi, odprowadzanie ścieków oraz nowe substancje zanieczyszczające, takie jak farmaceutyki, produkty higieny osobistej i pestycydy, budzą coraz większe obawy w kontekście zachowania różnorodności biologicznej tych ekosystemów.

Przepisy prawne chroniące ekosystemy źródliskowe są ubogie i niewystarczające. Dyrektywa siedliskowa UE uwzględnia na liście siedlisk chronionych jedynie źródliska wapienne ze zbiorowiskami Cratoneurion commutati, co oznacza, że inne ekosystemy źródliskowe pozostawione są samym sobie. Pośrednią ochronę można zapewnić im poprzez ochronę np. torfowisk zasadowych i innych terenów podmokłych, gdyż siedliska te często w swojej strukturze mają źródła. Jednak zachowanie ekosystemów źródliskowych pilnie wymaga zapewnienia kompleksowego ustawodawstwa.

Co prawda artykuł odnosi się do regionu śródziemnomorskiego, ale w Polsce też występują te cenne ekosystemy, które podlegają podobnym presjom i zasługują na ochronę przed współczesnymi zagrożeniami.

3. Exploring ecological knowledge in recreational fishing for conservation purposes: A literature review. Global Ecology and Conservation

Löki V., Nagy J., Neményi Z., et al., (2023). Exploring ecological knowledge in recreational fishing for conservation purposes: A literature review. Global Ecology and Conservation, 48, e02697.

O tym, że wiedza praktyczna, którą dysponują użytkownicy wód, może przyczynić się do właściwego zarzadzania nimi i ich ochrony, wiemy nie od dziś. W ostatnim numerze „Global Ecology and Conservation” ukazał się artykuł przeglądowy zespołu naukowców z Węgier na temat potencjału wykorzystania wiedzy rybaków rekreacyjnych (wędkarzy) do poprawy ochrony zasobów ichtiofauny. Rybołówstwo rekreacyjne jest bardzo popularną aktywnością, która daje możliwość gromadzenia przez niespecjalistów wiarygodnych danych ekologicznych. Wiedza wędkarzy może znacząco poprawić nasze zrozumienie przyrody i nadać właściwe priorytety zadaniom związanym z jej ochroną. Na podstawie analizy 81 publikacji, starannie wyselekcjonowanych spośród kilku tysięcy prac, autorzy przedstawili i ocenili stan wiedzy ekologicznej rybaków rekreacyjnych, ich postrzeganie przyrody oraz wkład w jej ochronę. Wyniki wskazują, że mapowanie wiedzy rybaków rekreacyjnych daje szansę na lepsze zrozumienie funkcjonowania siedlisk wodnych i terenów podmokłych. Obserwacje i spostrzeżenia tej grupy użytkowników mogą dostarczyć niezbędnych danych do ochrony gatunków i zarządzania siedliskami, a także mogą pomóc w opracowywaniu obywatelskich projektów naukowych dotyczących ekosystemów morskich i słodkowodnych na całym świecie.

Artykuł wpisuje się w zyskujący obecnie na popularności tzw. ruch nauki obywatelskiej (ang. „citizen science”), który promuje włączanie grup wolontariuszy do badań oraz wykorzystywanie ich wiedzy i doświadczenia do poszerzania wiedzy naukowej.

4. Identification of a pharyngeal mucosal lymphoid organ in zebrafish and other teleosts: Tonsils in fish?

Resseguier J., Nguyen-Chi M., Wohlmann J., et al., (2023). Identification of a pharyngeal mucosal lymphoid organ in zebrafish and other teleosts: Tonsils in fish? Science Advances, 9, 44.

Jeśli jesteśmy już przy temacie ryb, to warto wspomnieć o pracy, która właśnie ukazała się w „Science Advances”, a która rzuca nowe światło na anatomię i fizjologię tych zwierząt. Okazuje się, że wyrafinowane układy odpornościowe nie są cechą charakterystyczną wyłącznie ssaków. W dziale Evolutionary Biology badacze donoszą o odkryciu u ryb narządu, który może pełnić funkcje immunologiczne porównywalne do ssaczych migdałków. Stosując marker limfocytów T/komórek NK (ZAP70) i zaawansowane techniki obrazowania, naukowcy zbadali architekturę limfoidalną jamy skrzelowej danio pręgowanego i zidentyfikowali podgardłową strukturę, której budowa komórkowa i funkcje dowodzą, że jest to wtórny narząd limfatyczny. Nazwali swoje znalezisko organem limfoidalnym Nemausean (NELO, ang. Nemausean lymphoid organ) na cześć mitologicznej postaci związanej z uzdrawianiem i wodą. W odpowiedzi na infekcję NELO wykazuje zmiany strukturalne – tworzy skupiska komórek T/NK. Tkanka limfatyczna NELO i skrzela łączą się w spójną jednostkę w obrębie dużej sieci limfatycznej błony śluzowej. Strukturę zidentyfikowano u wielu gatunków ryb. Wygląda na to, że wysublimowane układy odpornościowe nie są cechą wyłącznie ssaków.

5. Freshwater salinization syndrome limits management efforts to improve water quality. Front. Environ

Maas C.M., Kaushal S.S., Rippy M.A., et al., (2023). Freshwater salinization syndrome limits management efforts to improve water quality. Front. Environ. Sci. 11:1106581.

6. Freshwater Salinization Syndrome Alters Nitrogen Transport in Urban Watersheds

Galella J.G., Kaushal S.S., Mayer P.M., et al. (2023) Freshwater Salinization Syndrome Alters Nitrogen Transport in Urban Watersheds. Water, 15, 3956.

Jesienią tego roku, w odstępie kilku tygodni, ukazały się kolejne dwie prace na temat niegasnącego problemu antropogenicznego zasolenia wód śródlądowych. W kontekście opublikowanego w połowie listopada raportu NIK o tym problemie w Odrze, Czytelnicy „Wodnych Spraw” mogą uznać je za ciekawy głos w ogólnoświatowej dyskusji.

Pierwszy artykuł ukazał się na łamach „Frontiers in Environmental Sciences” i poruszył problematykę syndromu (zespołu) zasolenia słodkiej wody (ang. „freshwater salinisation syndrome”, o którym w „Wodnych Sprawach” pisaliśmy niejednokrotnie). Syndrom ten obejmuje grupę oddziaływań biologicznych, fizycznych i chemicznych, obserwowanych w ekosystemach słodkowodnych w odpowiedzi na nadmierne zasolenie. Na przykładzie sześciu miejskich zlewni Zatoki Chesapeake, USA, naukowcy zbadali czasowe i przestrzenne rozmieszczenie mieszanin chemicznych (zwanych przez autorów „koktajlami chemicznymi”) wzdłuż cieków o różnym stopniu zrenaturyzowania i ochrony lasów łęgowych, jak również możliwości rozcieńczania ich, w tym zmniejszenia stężeń jonów soli, m.in. na drodze przepływu przez obszary chronione. Autorzy wskazują stosowanie soli drogowej jako istotne źródło wzbogacania miejskich koktajli chemicznych w jony soli i metale (np. Na+, Mn i Cu). Skuteczność rozcieńczania tych zanieczyszczeń wzdłuż strumieni była natomiast istotnie skorelowana z szerokością bufora lasów łęgowych, rodzajem soli i odległością od źródła zanieczyszczenia.

Druga praca, opublikowana w czasopiśmie „Water”, przez częściowo ten sam zespół autorów, analizuje z kolei problem wpływu zasolenia słodkiej wody na bilans i obieg form azotu (całkowitego azotu rozpuszczonego TDN oraz azotanów NO₃-/azotynów NO₂-) na przykładzie pięciu cieków miejskich obszaru metropolitalnego Baltimore-Waszyngton DC w regionie Zatoki Chesapeake, USA. Naukowcy zaobserwowali istotne statystycznie dodatnie związki pomiędzy analizowanymi parametrami, co potwierdza wykazywaną wcześniej zależność: zasolenie słodkiej wody może zmienić wielkość i rozkład całkowitego azotu rozpuszczonego, dostarczanego do wód recypientów w miesiącach zimowych, po zastosowaniu soli drogowej. Zależność ta występowała we wszystkich lokalizacjach, bez względu na sposób użytkowania terenu, co sugeruje, że na masowy transport Cl- i NO₃-/NO₂– wpływają podobne czynniki, takie jak wymiana jonowa w glebie, parowanie, dyspersja sodu w glebie, wymywanie hydrologiczne i procesy biogeochemiczne. Autorzy podkreślają też, że stosowane przez EPA (dla Stanów Zjednoczonych) kryteria stężenia chlorków na poziomie 230 mg Cl/l dla toksyczności chronicznej oraz 860 mg Cl/l dla toksyczności ostrej są zbyt wysokie, aby zapobiec zaburzeniom w zbiorowiskach zooplanktonu, a w konsekwencji w całej sieci troficznej. Do podobnych wniosków doszli polscy naukowcy, którzy na łamach „Aquatic Sciences” dowodzą negatywnego wpływu stosowania soli drogowej na zbiorowiska zooplanktonu w miejskich zbiornikach Łodzi.

6. Remote sensing-enabled machine learning for river water quality modeling under multidimensional uncertainty

Rahat S.H., Steissberg T., Chang W. et al. (2023). Remote sensing-enabled machine learning for river water quality modeling under multidimensional uncertainty. Science of The Total Environment, 898, 165504.

Skuteczna ochrona wód wymaga rozwoju coraz bardziej wyrafinowanych sposobów działania. Rozrastające się bazy danych oraz świadomość złożoności czynników warunkujących jakość wód w rzekach stymulują rozwój nowych urządzeń, technik i narzędzi, tak pomiarowych, jak i statystycznych. Na łamach czasopisma „STOTEN” zespół badaczy amerykańskich proponuje nową metodę wsparcia tradycyjnych obserwacji naziemnych danymi teledetekcyjnymi oraz z wykorzystaniem modelu uczenia maszynowego, który umożliwia uwzględnienie wielowymiarowości oddziaływań na jakość wód rzecznych. Jako parametr modelowy autorzy zastosowali całkowitą zawartość zawiesin substancji stałych (TSS), która może służyć jako substytut chemicznych i biologicznych substancji zanieczyszczających. W artykule przedstawiono metodę diagnozowania zanieczyszczeń rzek poprzez wykorzystanie modelu sieci neuronowej LSTM (długoterminowej pamięci krótkoterminowej, ang. Long Short-Term Memory Network) trenowanej na danych pozyskanych z odbicia satelitarnego ze spektroradiometru obrazującego o średniej rozdzielczości (MODIS, ang. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), skalibrowanego na danych TSS zebranych metodami tradycyjnymi. Wiarygodność modelu, oceniana w oparciu o standardowe parametry statystyczne, w przypadku większości analizowanych stacji była satysfakcjonująca.

Praca jest kolejnym przykładem możliwości wykorzystania informacji obrazowej i metod uczenia maszynowego do skutecznego prognozowania jakości wód w złożonych systemach rzecznych w niepewnych warunkach klimatycznych.