Цветение водорослей или цветение водорослей — это быстрое увеличение или накопление популяции водорослей в пресноводных или морских водных системах. Его часто можно распознать по изменению цвета воды из-за пигментов водорослей. [1] Термин «водоросли» охватывает многие типы водных фотосинтезирующих организмов, как макроскопические многоклеточные организмы, такие как морские водоросли , так и микроскопические одноклеточные организмы, такие как цианобактерии . [2] Цветение водорослей обычно относится к быстрому росту микроскопических одноклеточных водорослей, а не макроскопических водорослей. [3] Примером макроскопического цветения водорослей является лес ламинарии . [2]
Цветение водорослей является результатом попадания питательных веществ, таких как азот или фосфор из различных источников (например, сток удобрений или другие формы загрязнения питательными веществами ), в водную систему и вызывает чрезмерный рост водорослей. Цветение водорослей влияет на всю экосистему .
Последствия варьируются от безвредного питания более высоких трофических уровней до более вредных эффектов, таких как блокирование солнечного света от других организмов, вызывая истощение уровня кислорода в воде и, в зависимости от организма, выделение токсинов в воду. Цветение, которое может нанести вред животным или экологии, особенно те цветения, при которых токсины выделяются водорослями, обычно называют « вредным цветением водорослей » (ВЦВ), и оно может привести к гибели рыбы, городам, перекрывающим воду жителям, или государствам, вынужденным закрывать рыбные промыслы. Процесс избыточного снабжения питательными веществами, приводящий к росту водорослей и истощению кислорода, называется эвтрофикацией .
Цветение водорослей и бактерий постоянно способствовало массовым вымираниям, вызванным глобальным потеплением в геологическом прошлом, например, во время вымирания в конце пермского периода, вызванного вулканизмом Сибирских траппов , и биотического восстановления после массового вымирания. [4]
Термин «цветение водорослей» определяется непоследовательно в зависимости от научной области и может варьироваться от «мини-цветения» [ когда определяется как? ] безвредных водорослей до крупного, вредоносного цветения. [5] Поскольку водоросли — это широкий термин, включающий организмы самых разных размеров, скоростей роста и потребностей в питательных веществах, не существует официально признанного порогового уровня того, что определяется как цветение. Поскольку нет научного консенсуса, цветение можно охарактеризовать и количественно оценить несколькими способами: измерения новой биомассы водорослей, концентрации фотосинтетического пигмента, количественной оценки негативного эффекта цветения или относительной концентрации водорослей по сравнению с остальной частью микробного сообщества. [5] Например, определения цветения включают случаи, когда концентрация хлорофилла превышает 100 мкг/л, [6] когда концентрация хлорофилла превышает 5 мкг/л, [7] когда виды, которые считаются цветущими, превышают концентрацию 1000 клеток/мл, [8] и когда концентрация видов водорослей просто отклоняется от своего нормального роста. [9] [10]
Цветение является результатом внесения питательных веществ, необходимых определенным водорослям, в местную водную систему. Этим ограничивающим рост питательным веществом обычно является азот или фосфор, но также может быть железо, витамины или аминокислоты. [2] Существует несколько механизмов добавления этих питательных веществ в воду. В открытом океане и вдоль береговых линий подъем глубинных вод как от ветров, так и от топографических особенностей дна океана может притягивать питательные вещества в фотическую или освещенную солнцем зону океана. [11] Вдоль прибрежных районов и в пресноводных системах сельскохозяйственные, городские и канализационные стоки могут вызывать цветение водорослей. [12]
Цветение водорослей, особенно крупные события цветения водорослей, может снизить прозрачность воды и может обесцветить воду. [2] Фотосинтетические пигменты в клетках водорослей, такие как хлорофилл и фотозащитные пигменты, определяют цвет цветения водорослей. В зависимости от организма, его пигментов и глубины в толще воды цветение водорослей может быть зеленым, красным, коричневым, золотистым и фиолетовым. [2] Ярко-зеленое цветение в пресноводных системах часто является результатом цианобактерий (в просторечии известных как «сине-зеленые водоросли»), таких как Microcystis . [2] [13] Цветение может также состоять из видов макроводорослей (нефитопланктонных ) . Такое цветение можно узнать по большим лезвиям водорослей, которые могут быть выброшены на береговую линию. [14]
Как только питательное вещество попадает в воду, водоросли начинают расти гораздо быстрее, чем обычно. В мини-цветении этот быстрый рост приносит пользу всей экосистеме, предоставляя пищу и питательные вещества для других организмов. [10]
Особого внимания заслуживают вредоносные цветения водорослей (ВЦВ), которые представляют собой цветение водорослей, включающее токсичный или иным образом вредный фитопланктон. Многие виды могут вызывать вредоносное цветение водорослей. Например, Gymnodinium nagasakiense может вызывать вредные красные приливы , динофлагелляты Gonyaulax polygramma могут вызывать кислородное истощение и приводить к гибели большого количества рыб, цианобактерии Microcystis aeruginosa могут вырабатывать ядовитые токсины, а диатомовые водоросли Chaetoceros convolutus могут повреждать жабры рыб. [15]
Цветение пресноводных водорослей является результатом избытка питательных веществ , особенно некоторых фосфатов . [19] [20] Избыток питательных веществ может быть вызван удобрениями, которые вносятся в землю в сельскохозяйственных или рекреационных целях, а также может быть вызван бытовыми чистящими средствами, содержащими фосфор . [21]
Сокращение поступления фосфора необходимо для смягчения цветения, содержащего цианобактерии. [22] В озерах, которые стратифицируются летом, осенний оборот может высвобождать значительные количества биодоступного фосфора, потенциально вызывая цветение водорослей, как только появляется достаточное количество фотосинтетического света. [23] Избыточные питательные вещества могут попадать в водоразделы через сток воды. [24] Избыточный углерод и азот также подозреваются в качестве причин. Наличие остаточного карбоната натрия действует как катализатор для цветения водорослей, предоставляя растворенный углекислый газ для улучшенного фотосинтеза в присутствии питательных веществ. [ необходима цитата ]
Когда фосфаты вводятся в водные системы, более высокие концентрации вызывают усиленный рост водорослей и растений. Водоросли, как правило, растут очень быстро при высокой доступности питательных веществ, но каждая водоросль недолговечна, и результатом является высокая концентрация мертвого органического вещества, которое начинает разлагаться. Природные деструкторы, присутствующие в воде, начинают разлагать мертвые водоросли, потребляя растворенный кислород, присутствующий в воде во время этого процесса. Это может привести к резкому снижению доступного растворенного кислорода для других водных организмов. Без достаточного количества растворенного кислорода в воде животные и растения могут погибнуть в больших количествах. Это также может быть известно как мертвая зона . [ необходима цитата ]
Цветение может наблюдаться в пресноводных аквариумах , когда рыб перекармливают и избыток питательных веществ не усваивается растениями. Это, как правило, вредно для рыб, и ситуацию можно исправить, заменив воду в аквариуме и затем уменьшив количество даваемой пищи. [ необходима цитата ]
Летом бурные штормы встряхивают океан, добавляя питательные вещества в освещенные солнцем воды у поверхности. Это вызывает безумие кормления каждую весну, которое приводит к массовому цветению фитопланктона. Крошечные молекулы, обнаруженные внутри этих микроскопических растений, собирают жизненно важную энергию из солнечного света посредством фотосинтеза. Природные пигменты, называемые хлорофиллом, позволяют фитопланктону процветать в океанах Земли и позволяют ученым следить за цветением из космоса. Спутники показывают местоположение и численность фитопланктона, определяя количество хлорофилла, присутствующего в прибрежных и открытых водах — чем выше концентрация, тем больше цветение. Наблюдения показывают, что цветение обычно длится до поздней весны или начала лета, когда запасы питательных веществ сокращаются, и хищный зоопланктон начинает пастись. Визуализация слева сразу ниже использует данные NASA SeaWiFS для картирования популяций цветения. [16]
Исследование NAAMES, проведенное в период с 2015 по 2019 год, изучало аспекты динамики фитопланктона в океанических экосистемах и то, как такая динамика влияет на атмосферные аэрозоли , облака и климат. [26]
Во Франции граждан просят сообщать об изменении цвета воды через проект PHENOMER. [27] Это помогает понять причины цветения морской воды. [ необходима ссылка ]
Лесные пожары могут вызывать цветение фитопланктона из-за осаждения в океане аэрозолей, образующихся в результате лесных пожаров. [28]
Вредное цветение водорослей (ВЦВ) — это цветение водорослей, которое оказывает негативное воздействие на другие организмы посредством выработки природных токсинов, механического повреждения других организмов или другими способами. Разнообразие ВЦВ еще больше усложняет управление ими и создает множество проблем, особенно для прибрежных районов, находящихся под угрозой исчезновения. [29] ВЦВ часто ассоциируются с крупномасштабными случаями гибели морских животных и были связаны с различными типами отравлений моллюсками . [30] ВЦВ часто тщательно отслеживаются из-за их негативного воздействия на экономику и здоровье. [31] [32]
Доказано, что HAB вреден для человека. Люди могут подвергаться воздействию токсичных водорослей при прямом употреблении морепродуктов, содержащих токсины, плавании или других видах деятельности в воде, а также при вдыхании крошечных капель в воздухе, содержащих токсины. [33] Поскольку воздействие на человека может происходить при употреблении морепродуктов, содержащих токсины, выделяемые водорослями HAB, присутствуют пищевые заболевания, которые могут поражать нервную, пищеварительную, дыхательную, печеночную, дерматологическую и сердечную системы организма. [34] Пользователи пляжа часто страдают от заболеваний верхних дыхательных путей, раздражения глаз и носа, лихорадки и часто нуждаются в медицинской помощи для лечения. Отравление рыбой сигуатера (CFP) очень распространено из-за воздействия цветущих водорослей. Также присутствуют заболевания, передающиеся через воду, поскольку наша питьевая вода может быть загрязнена цианотоксинами.
Если событие HAB приводит к достаточно высокой концентрации водорослей, вода может обесцветиться или помутнеть, меняя цвет от фиолетового до почти розового, обычно красного или зеленого. Не все цветения водорослей достаточно густые, чтобы вызвать изменение цвета воды. [ необходима цитата ]
Динофлагелляты — это микробные эукариоты, которые связывают биолюминесценцию и выработку токсинов при цветении водорослей. [35] Они используют реакцию люциферина-люциферазы для создания синего свечения. [36] Существует семнадцать основных типов токсинов динофлагеллятов , среди которых штаммы, сакситоксин и йессотоксин, являются как биолюминесцентными, так и токсичными. Обнаружено, что эти два штамма имеют схожие ниши в прибрежных районах. Избыток динофлагеллятов в ночное время создает сине-зеленое свечение, однако днем оно выглядит как красно-коричневый цвет, который называет цветение водорослей красными приливами. Сообщалось, что динофлагелляты являются причиной отравления морепродуктами из-за нейротоксинов. [37]
Существует три основные категории управления цветением водорослей, состоящие из смягчения, профилактики и контроля. [38] В рамках смягчения реализуются программы регулярного мониторинга токсинов в моллюсках и общее наблюдение за областью. Уровни ВЦВ в моллюсках будут определены и могут управлять ограничениями, чтобы не допустить попадания загрязненных моллюсков на рынок продуктов питания. Перемещение рыбных садков подальше от цветения водорослей также является еще одной формой смягчения. В рамках профилактики эта категория менее известна, но вносятся изменения в политику для контроля сточных вод и отходов. В рамках контроля существуют механические, биологические, химические, генетические и экологические меры контроля. Механический контроль включает в себя рассеивание глины в воде для объединения с ВЦВ, что приводит к уменьшению количества ВЦВ, проходящих процесс осаждения. Биологический контроль в значительной степени варьируется и может использоваться с помощью феромонов или выпуска стерильных самцов для снижения воспроизводства. Химический контроль использует выброс токсичных химических веществ. Однако это может вызвать проблемы смертности других нецелевых организмов. Генетический контроль включает в себя генную инженерию видов в их экологической толерантности и процессах воспроизводства. Однако существуют проблемы нанесения вреда местным организмам. Для контроля окружающей среды можно использовать циркуляцию воды и аэрацию.
[Б]иодоступный фосфор — фосфор, который может быть использован растениями и бактериями — составляет лишь часть от общего количества, по словам Майкла Бретта, профессора инженерного факультета Вашингтонского университета...