Вредное цветение водорослей ( ВЦВ ), или чрезмерный рост водорослей , представляет собой цветение водорослей , которое оказывает негативное воздействие на другие организмы путем производства природных токсинов , вырабатываемых водорослями , деоксигенации воды , механического повреждения других организмов или другими способами. ВЦВ иногда определяется только как цветение водорослей, которое производит токсины, а иногда как любое цветение водорослей, которое может привести к значительному снижению уровня кислорода в природных водах, убивая организмы в морских или пресных водах . [1] Цветение может длиться от нескольких дней до многих месяцев. После того, как цветение умирает, микробы , которые разлагают мертвые водоросли, используют больше кислорода, создавая « мертвую зону », которая может вызвать гибель рыб . Когда эти зоны охватывают большую площадь в течение длительного периода времени, ни рыбы, ни растения не могут выжить. Вредное цветение водорослей в морской среде часто называют «красными приливами». [2] [3]
Иногда неясно, что вызывает определенные ВЦВ, поскольку их возникновение в некоторых местах кажется полностью естественным, [4] в то время как в других они, по-видимому, являются результатом деятельности человека. [5] В некоторых местах есть связи с определенными движущими силами, такими как питательные вещества, но ВЦВ также возникали еще до того, как люди начали влиять на окружающую среду. ВЦВ вызваны эвтрофикацией , которая представляет собой переизбыток питательных веществ в воде. Два наиболее распространенных питательных вещества - это фиксированный азот ( нитраты , аммиак и мочевина ) и фосфат . [6] Избыток питательных веществ выбрасывается сельским хозяйством , промышленным загрязнением, чрезмерным использованием удобрений в городских/пригородных районах и связанным с этим городским стоком . Более высокая температура воды и низкая циркуляция также способствуют этому. [ необходима ссылка ]
ВЦВ могут нанести значительный вред животным, окружающей среде и экономике. Они увеличиваются в размерах и частоте во всем мире, что многие эксперты связывают с глобальным изменением климата . Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) прогнозирует более вредоносное цветение в Тихом океане . [7] Потенциальные средства правовой защиты включают химическую обработку, дополнительные резервуары, датчики и устройства мониторинга, сокращение стока питательных веществ, исследования и управление, а также мониторинг и отчетность. [8]
Наземные стоки, содержащие удобрения, сточные воды и отходы животноводства, переносят обильные питательные вещества в морскую воду и стимулируют цветение. Естественные причины, такие как разливы рек или подъем питательных веществ со дна моря , часто после сильных штормов, также обеспечивают питательные вещества и вызывают цветение. Увеличение прибрежных разработок и аквакультуры также способствуют возникновению прибрежных ВЦВ. [2] [3] Последствия ВЦВ могут ухудшаться локально из-за ветровой циркуляции Ленгмюра и их биологических эффектов .
ВЦВ из цианобактерий (сине-зеленых водорослей) могут появляться в виде пены, налета или мата на поверхности воды или непосредственно под ней и могут принимать различные цвета в зависимости от их пигментов. [6] Цветение цианобактерий в пресноводных озерах или реках может выглядеть ярко-зеленым, часто с поверхностными полосами, которые выглядят как плавающая краска. [9] Цветение цианобактерий является глобальной проблемой. [10]
Большинство цветений происходит в теплых водах с избыточным содержанием питательных веществ. [6] Вредные эффекты от такого цветения обусловлены токсинами, которые они производят, или использованием кислорода в воде, что может привести к гибели рыб. [11] Однако не все цветения водорослей производят токсины, некоторые только обесцвечивают воду, создавая неприятный запах или добавляя неприятный вкус воде. К сожалению, невозможно сказать, является ли цветение вредным только по внешнему виду, поскольку требуются отбор проб и микроскопическое исследование. [6] Во многих случаях микроскопии недостаточно, чтобы определить разницу между токсичными и нетоксичными популяциями. В этих случаях можно использовать инструменты для измерения уровня токсинов или для определения наличия генов, вырабатывающих токсины. [12]
В узком определении вредоносное цветение водорослей — это только те цветения, которые выделяют токсины, влияющие на другие виды. С другой стороны, любое цветение водорослей может вызывать мертвые зоны из-за низкого уровня кислорода , и поэтому может быть названо «вредным» в этом смысле. Использование термина «вредное цветение водорослей» в средствах массовой информации и научной литературе различается. В более широком определении все «организмы и события считаются ВЦВ, если они отрицательно влияют на здоровье человека или социально-экономические интересы или наносят ущерб водным системам». [13] Вредное цветение водорослей — это «общественное понятие, а не научное определение». [13]
Аналогичное широкое определение ВЦВ было принято Агентством по охране окружающей среды США в 2008 году, которое заявило, что ВЦВ включают «потенциально токсичные (ауксотрофные, гетеротрофные) виды и производителей с высокой биомассой, которые могут вызывать гипоксию и аноксию, а также беспорядочную гибель морских организмов после достижения высокой концентрации, независимо от того, вырабатываются ли токсины» [1] .
Вредное цветение водорослей в прибрежных районах также часто называют «красными приливами». [13] Термин «красный прилив» происходит от цветения любого из нескольких видов динофлагеллят , таких как Karenia brevis . [14] Однако этот термин вводит в заблуждение, поскольку цветение водорослей может сильно различаться по цвету, а рост водорослей не связан с приливами . Не все красные приливы производятся динофлагеллятами. Миксотрофная инфузория Mesodinium rubrum производит нетоксичное цветение, окрашенное в темно-красный цвет хлоропластами, которые она получает из водорослей, которыми питается. [15]
.png/1280px-Karenia_brevis_Anatomy_(1).png)
Как технический термин, он заменяется на более точную терминологию, включая общий термин «вредное цветение водорослей» для вредных видов и « цветение водорослей » для безвредных видов. [ необходима ссылка ]
Существует три основных типа фитопланктона, которые могут образовывать вредоносные водорослевые цветки: цианобактерии , динофлагелляты и диатомовые водоросли . Все три состоят из микроскопических плавающих организмов, которые, как и растения, могут создавать свою собственную пищу из солнечного света с помощью фотосинтеза . Эта способность делает большинство из них неотъемлемой частью пищевой цепи для мелких рыб и других организмов. [16] : 246
Вредное цветение водорослей в пресноводных озерах и реках или в эстуариях , где реки впадают в океан, вызывается цианобактериями, которые обычно называют «сине-зелеными водорослями» [17] , но на самом деле являются прокариотическими бактериями [18] , в отличие от водорослей, которые являются эукариотами [19] . Некоторые цианобактерии, включая широко распространенный род Microsystis , могут вырабатывать опасные цианотоксины , такие как микроцистины [20] , которые являются гепатотоксинами , повреждающими печень млекопитающих. [21] Другие типы цианобактерий также могут вырабатывать гепатотоксины, а также нейротоксины, цитотоксины и эндотоксины [22] . Водоочистные сооружения могут быть не в состоянии удалить эти токсины, что приводит к все более распространенным локальным рекомендациям не пить водопроводную воду, как это произошло в Толедо, штат Огайо, в августе 2014 года [23].
В августе 2021 года только в штате Нью-Йорк было подтверждено цветение водорослей в 47 озерах. [24] [25] В сентябре 2021 года экологические программы округа Спокан выпустили предупреждение о ВЦВ для озера Ньюман после тестов, показавших потенциально опасные уровни токсичности для цианобактерий, [26] в то время как в том же месяце были зарегистрированы рекордно высокие уровни микроцистинов, что привело к продлению рекомендаций «Не пить» для 280 домохозяйств в Клир-Лейк , втором по величине пресноводном озере Калифорнии. [27] Тем временем состояние воды во Флориде продолжает ухудшаться из-за увеличения притока питательных веществ, что вызывает серьезные явления ВЦВ как в пресноводных, так и в морских районах. [28]
HAB также наносят вред, блокируя солнечный свет, используемый растениями и водорослями для фотосинтеза, или истощая растворенный кислород, необходимый рыбе и другим водным животным, что может привести к гибели рыб. [11] Когда такая вода с низким содержанием кислорода покрывает большую площадь в течение длительного периода времени, она может стать гипоксической или даже аноксической; эти области обычно называют мертвыми зонами . Эти мертвые зоны могут быть результатом множества различных факторов, начиная от природных явлений и заканчивая преднамеренным вмешательством человека, и не ограничиваются только большими водоемами с пресной водой, как в Великих озерах, но также подвержены водоемам с соленой водой. [29]
Многие виды, которые образуют вредоносные цветения водорослей, будут проходить двухэтапную жизненную систему. Эти виды будут чередоваться между стадией бентоса и пелагическим вегетативным состоянием. Бентосная стадия покоя соответствует тому, когда эти виды отдыхают около дна океана. На этой стадии клетки видов ждут оптимальных условий, чтобы они могли переместиться к поверхности. Затем эти виды перейдут из стадии бентоса покоя в пелагическое вегетативное состояние, где они более активны и находятся около поверхности водоема. В пелагическом вегетативном состоянии эти клетки способны расти и размножаться. Именно в пелагическом вегетативном состоянии может произойти цветение, поскольку клетки быстро размножаются и захватывают верхние области водоема. Переход между этими двумя стадиями жизни может иметь множественные эффекты на цветение водорослей (например, быстрое прекращение ВЦВ, поскольку клетки переходят из пелагического состояния в бентосное). Многие из видов водорослей, которые проходят этот двухэтапный жизненный цикл, способны к быстрой вертикальной миграции. Эта миграция необходима для перемещения из бентической зоны водоемов в пелагическую зону. Эти виды требуют огромного количества энергии, поскольку они проходят через различные термоклины , галоклины и пикноклины, которые связаны с водоемами, в которых существуют эти клетки. [30]
Другие типы водорослей — это диатомовые водоросли и динофлагелляты , которые в основном встречаются в морской среде, например, на побережьях океанов или в заливах, где они также могут образовывать цветение водорослей. Прибрежные ВЦВ — это естественное явление, [31] [32] хотя во многих случаях, особенно когда они образуются вблизи береговых линий или в эстуариях, было показано, что они усугубляются антропогенной эвтрофикацией и/или изменением климата. [33] [34] [35] [36] Они могут возникать, когда более теплая вода, соленость и питательные вещества достигают определенных уровней, что затем стимулирует их рост. [31] Большинство водорослей ВЦВ — динофлагелляты. [37] Они видны в воде при концентрации 1000 клеток водорослей/мл, в то время как при плотном цветении их может быть более 200 000/мл. [38]
Диатомовые водоросли вырабатывают домоевую кислоту , еще один нейротоксин, который может вызывать судороги у высших позвоночных и птиц, поскольку он концентрируется в пищевой цепи. Домоевая кислота легко накапливается в телах моллюсков , сардин и анчоусов , которые, если их затем съедят морские львы , выдры , китообразные , птицы или люди, могут повлиять на нервную систему, вызывая серьезные травмы или смерть. [39] Летом 2015 года правительства штатов закрыли важные промыслы моллюсков в Вашингтоне , Орегоне и Калифорнии из-за высоких концентраций домоевой кислоты в моллюсках. [40]
В морской среде одноклеточные, микроскопические, похожие на растения организмы естественным образом встречаются в хорошо освещенном поверхностном слое любого водоема. Эти организмы, называемые фитопланктоном или микроводорослями , образуют основу пищевой сети, от которой зависят почти все остальные морские организмы. Из более чем 5000 видов морского фитопланктона, существующих во всем мире, около 2% известны как вредные или токсичные. [41] Цветение вредных водорослей может иметь большие и разнообразные последствия для морских экосистем, в зависимости от вовлеченных видов, среды, в которой они обнаружены, и механизма, с помощью которого они оказывают негативное воздействие. [ необходима цитата ]
Иногда неясно, что вызывает определенные ВЦВ, поскольку их возникновение в некоторых местах кажется полностью естественным, [4] в то время как в других они кажутся результатом деятельности человека. [5] Кроме того, существует множество различных видов водорослей, которые могут образовывать ВЦВ, каждый из которых имеет различные требования к окружающей среде для оптимального роста. Частота и серьезность ВЦВ в некоторых частях мира связаны с увеличением нагрузки на питательные вещества из-за деятельности человека. В других областях ВЦВ являются предсказуемым сезонным явлением, возникающим в результате прибрежного апвеллинга, естественного результата движения определенных океанических течений. [43]
Рост морского фитопланктона (как нетоксичного, так и токсичного) обычно ограничивается наличием нитратов и фосфатов, которые могут быть в изобилии в прибрежных зонах апвеллинга, а также в сельскохозяйственных стоках. Тип нитратов и фосфатов, доступных в системе, также является фактором, поскольку фитопланктон может расти с разной скоростью в зависимости от относительного содержания этих веществ (например, аммиака , мочевины , нитрат-иона). [44]
Различные другие источники питательных веществ также могут играть важную роль в формировании цветения водорослей, включая железо, кремний или углерод. Загрязнение прибрежных вод, вызванное деятельностью человека (включая удобрение железом), и систематическое повышение температуры морской воды также были предложены в качестве возможных факторов, способствующих ВЦВ. [44]
Среди причин цветения водорослей: [45]
Питательные вещества попадают в пресноводную или морскую среду в виде поверхностного стока от сельскохозяйственного загрязнения и городского стока от удобренных газонов, полей для гольфа и других ландшафтных объектов; а также от очистных сооружений , на которых отсутствуют системы контроля питательных веществ. [50] Дополнительные питательные вещества поступают из атмосферного загрязнения. [51] Прибрежные районы по всему миру, особенно водно-болотные угодья и эстуарии, коралловые рифы и болота, склонны к перегрузке этими питательными веществами. [51] Например, большинство крупных городов вдоль Средиземного моря сбрасывают все свои сточные воды в море без очистки. [51] То же самое относится и к большинству прибрежных развивающихся стран, в то время как в некоторых частях развивающегося мира до 70% сточных вод из крупных городов могут повторно попадать в водные системы без очистки. [52]
Остаточные питательные вещества в очищенных сточных водах могут также накапливаться в водных источниках ниже по течению [53] и вызывать эвтрофикацию топлива, что постепенно приводит к системе, в которой доминируют цианобактерии, характеризующейся сезонными ВЦВ. По мере того, как строится больше инфраструктуры очистки сточных вод, больше очищенных сточных вод возвращается в естественную водную систему, что приводит к значительному увеличению этих остаточных питательных веществ. [ необходима цитата ]
Остаточные питательные вещества объединяются с питательными веществами из других источников, увеличивая запас питательных веществ в осадке, что является движущей силой фазовых сдвигов в сторону укоренившихся эвтрофных условий. [ необходима ссылка ]
Это способствует продолжающейся деградации плотин, озер, рек и водохранилищ — источников воды, которые начинают называться экологической инфраструктурой, [54] увеличивая нагрузку на очистные сооружения и водоочистные сооружения. Такая нагрузка, в свою очередь, усиливает сезонные ВЦВ. [ необходима цитата ]
Изменение климата способствует потеплению воды, что делает условия более благоприятными для роста водорослей в большем количестве регионов и дальше на север. [55] [46] В целом, спокойная, теплая, мелкая вода в сочетании с богатыми питательными веществами условиями в озерах или реках увеличивает риск вредоносного цветения водорослей. [48] Потепление летних температур поверхности озер, которые росли на 0,34 °C десятилетие за десятилетие между 1985 и 2009 годами из-за глобального потепления, также, вероятно, увеличит цветение водорослей на 20% в течение следующего столетия. [56]
Хотя факторы, вызывающие вредоносное цветение водорослей, плохо изучены, они, по-видимому, расширили свой ареал и частоту в прибрежных районах с 1980-х годов. [57] : 16 Это является результатом антропогенных факторов, таких как увеличение поступления питательных веществ ( загрязнение питательными веществами ) и изменение климата (в частности, повышение температуры воды). [57] : 16 Параметрами, которые влияют на формирование ВЦВ, являются потепление океана , морские волны тепла, потеря кислорода , эвтрофикация и загрязнение воды . [58] : 582
ВЦВ содержат плотные концентрации организмов и выглядят как обесцвеченная вода, часто красновато-коричневого цвета. Это естественное явление, но точная причина или сочетание факторов, которые приводят к возникновению ВЦВ, не обязательно известны. [59] Однако считается, что три ключевых природных фактора играют важную роль в цветении — соленость, температура и ветер. ВЦВ наносят экономический ущерб, поэтому вспышки тщательно отслеживаются. Например, Флоридская комиссия по охране рыб и дикой природы предоставляет обновленный отчет о состоянии ВЦВ во Флориде. [60] Техасский департамент парков и дикой природы также предоставляет отчет о состоянии. [61] Хотя конкретной причины ВЦВ не обнаружено, их присутствию может способствовать множество различных факторов. Эти факторы могут включать загрязнение воды , которое происходит из таких источников, как человеческие сточные воды и сельскохозяйственные стоки . [62]
Возникновение HAB в некоторых местах, по-видимому, является полностью естественным (цветение водорослей является сезонным явлением, вызванным прибрежным апвеллингом, естественным результатом движения определенных океанических течений) [63] [64] , в то время как в других местах оно, по-видимому, является результатом повышенного загрязнения питательными веществами в результате деятельности человека. [65] Рост морского фитопланктона, как правило, ограничивается наличием нитратов и фосфатов , которые могут быть в изобилии в сельскохозяйственных стоках, а также в прибрежных зонах апвеллинга. Другие факторы, такие как приток богатой железом пыли из крупных пустынных районов, таких как пустыня Сахара, как полагают, играют важную роль в возникновении событий HAB. [66] Некоторые цветения водорослей на побережье Тихого океана также были связаны с возникновением крупномасштабных климатических колебаний, таких как явления Эль-Ниньо . [ необходима ссылка ]
Другие факторы, такие как приток богатой железом пыли из крупных пустынных районов, таких как Сахара , как полагают, играют роль в возникновении ВЦВ. [67] Некоторые цветения водорослей на побережье Тихого океана также были связаны с естественными явлениями крупномасштабных климатических колебаний, такими как явления Эль-Ниньо . ВЦВ также связаны с обильными осадками. [68] Хотя ВЦВ в Мексиканском заливе были замечены в начале 1500-х годов исследователем Кабеса де Вака , [69] неясно, что инициирует это цветение и насколько велика роль антропогенных и природных факторов в их развитии. [ необходима ссылка ]
Число зарегистрированных случаев вредоносного цветения водорослей (цианобактерий) увеличивается по всему миру. [70] Неясно, является ли кажущееся увеличение частоты и серьезности ВЦВ в различных частях мира на самом деле реальным ростом или оно обусловлено возросшими усилиями по наблюдению и достижениями в технологии идентификации видов. [71] [72]
В 2008 году правительство США подготовило отчет по этой проблеме «Управление вредоносным цветением водорослей и ответные меры: оценка и план». [73] В отчете признавалась серьезность проблемы:
Широко распространено мнение, что частота и географическое распространение HAB увеличиваются во всем мире. Все прибрежные штаты США испытали HAB за последнее десятилетие, и в некоторых местах, которые ранее не были известны как вызывающие проблемы, появились новые виды. Также считается, что частота HAB увеличивается в пресноводных системах. [73]
Исследователи сообщили о росте ВЦВ в Европе, Африке и Австралии. Они включали цветение на некоторых африканских Великих озерах , таких как озеро Виктория , второе по величине пресноводное озеро в мире. [74] Индия сообщает об увеличении количества цветений каждый год. [75] В 1977 году Гонконг сообщил о своем первом прибрежном ВЦВ. К 1987 году они получали в среднем 35 в год. [76] Кроме того, были сообщения о вредоносном цветении водорослей на популярных канадских озерах, таких как озеро Бивер и озеро Квамичан. Это цветение стало причиной гибели нескольких животных и привело к рекомендациям по плаванию. [77]
Глобальное потепление и загрязнение окружающей среды приводят к цветению водорослей в местах, которые ранее считались «невозможными» или редкими для их существования, например, под ледяными щитами в Арктике , [78] в Антарктиде , [79] в Гималайских горах , [80] в Скалистых горах , [81] и в горах Сьерра-Невада . [82]
В США в каждом прибрежном штате за последнее десятилетие наблюдалось вредоносное цветение водорослей, и новые виды появились в новых местах, которые ранее не были известны как вызывающие проблемы. Внутренние крупные реки увидели увеличение их размера и частоты. В 2015 году река Огайо имела цветение, которое растянулось на «беспрецедентные» 650 миль (1050 км) в соседние штаты и дало положительный результат на токсины, что создало проблемы с питьевой водой и отдыхом. [83] Часть реки Джордан в Юте была закрыта из-за токсичного цветения водорослей в 2016 году. [84]
У западного побережья Южной Африки HABs, вызванные Alexandrium catanella, происходят каждую весну. Это цветение организмов вызывает серьезные нарушения в рыболовстве в этих водах, поскольку токсины в фитопланктоне делают моллюсков -фильтраторов в пораженных водах ядовитыми для потребления человеком. [85]
По мере роста цветения водорослей они истощают кислород в воде и блокируют солнечный свет, не позволяя рыбе и растениям достигать их. Такое цветение может длиться от нескольких дней до многих месяцев. [84] При меньшем количестве света растения под цветением могут погибнуть, а рыбы могут голодать. Кроме того, плотная популяция цветения снижает насыщение кислородом в ночное время за счет дыхания. И когда водоросли в конечном итоге отмирают, микробы, которые разлагают мертвые водоросли, потребляют еще больше кислорода, что, в свою очередь, приводит к гибели или покиданию этой области еще большего количества рыб. Когда цветение продолжает истощать кислород, это может привести к образованию гипоксических мертвых зон , где ни рыбы, ни растения не могут выжить. [86] Эти мертвые зоны в случае Чесапикского залива, где они являются обычным явлением, также подозреваются в том, что являются основным источником метана . [87]
Ученые обнаружили, что ВЦВ были характерной чертой предыдущих массовых вымираний , включая вымирание в конце пермского периода . [88]
Тесты показали, что некоторые токсины вблизи цветков могут находиться в воздухе и, таким образом, попадать в дыхательные пути, что может повлиять на здоровье. [89]
Не рекомендуется употреблять в пищу рыбу или моллюсков из озер с цветением водорослей поблизости. [9] В моллюсках, которые питаются водорослями, накапливаются мощные токсины. Если моллюски употребляются в пищу, могут возникнуть различные типы отравления. К ним относятся амнестическое отравление моллюсками (ASP), диарейное отравление моллюсками , нейротоксическое отравление моллюсками и паралитическое отравление моллюсками . [90] Исследование 2002 года показало, что токсины водорослей могут быть причиной до 60 000 случаев отравления в мире каждый год. [90]
В 1987 году появилась новая болезнь: амнестическое отравление моллюсками (ASP). У людей, которые ели мидии с острова Принца Эдуарда, были обнаружены ASP. Болезнь была вызвана домоевой кислотой , вырабатываемой диатомовыми водорослями, обнаруженными в районе выращивания мидий. [91] Исследование 2013 года показало, что отравление токсичными паралитически действующими моллюсками на Филиппинах во время ВЦВ привело по меньшей мере к 120 смертельным случаям за несколько десятилетий. [92] После инцидента с ВЦВ в 2014 году в заливе Монтерей , Калифорния, представители здравоохранения предупредили людей не есть определенные части анчоусов, сардин или крабов, пойманных в заливе. [93] В 2015 году большинство промыслов моллюсков в Вашингтоне, Орегоне и Калифорнии были закрыты из-за высокой концентрации токсичной домоевой кислоты в моллюсках. [40] Людей предупредили, что вдыхание паров от волн или ветра во время ВЦВ может вызвать приступы астмы или привести к другим респираторным заболеваниям. [94]
В 2018 году сельскохозяйственные чиновники в Юте беспокоились, что даже посевы могут быть загрязнены, если их поливать токсичной водой, хотя они признают, что не могут точно измерить загрязнение из-за множества переменных в сельском хозяйстве. Однако они выпустили предупреждения для жителей из соображений предосторожности. [95]
Людей обычно предупреждают не заходить в воду или пить воду из цветущих водорослей, или позволять своим питомцам плавать в воде, так как многие питомцы погибли из-за цветения водорослей. [48] По крайней мере в одном случае люди начали заболевать до того, как были выпущены предупреждения. [96] Не существует лечения для животных, включая крупный рогатый скот, если они пьют из цветущих водорослей, где присутствуют такие токсины. Домашних животных рекомендуется держать подальше от цветущих водорослей, чтобы избежать контакта. [97]
В некоторых местах посетителей предупредили, чтобы они даже не прикасались к воде. [9] Лодочникам сообщили, что токсины в воде могут попасть в дыхательные пути через брызги от ветра или волн. [17] [9] Океанские пляжи, [98] озера [21] и реки были закрыты из-за цветения водорослей. [84] После того, как в 2015 году погибла собака, искупавшись в цветущей реке Рашен-Ривер в Калифорнии , чиновники также разместили предупреждения на некоторых участках реки. [99] Кипячение воды дома перед питьем не удаляет токсины. [9]
В августе 2014 года город Толедо, штат Огайо, рекомендовал своим 500 000 жителей не пить водопроводную воду, поскольку высокий уровень токсинов из-за цветения водорослей в западной части озера Эри повлиял на способность их водоочистных сооружений очищать воду до безопасного уровня. [23] Чрезвычайная ситуация потребовала использования бутилированной воды для всех обычных целей, за исключением душа, что серьезно повлияло на общественные услуги и коммерческий бизнес. Цветение вернулось в 2015 году [100] и было спрогнозировано снова на лето 2016 года. [101]
В 2004 году цветение в заливе Кисуму, который является источником питьевой воды для 500 000 человек в Кисуму , Кения , пострадало от аналогичного загрязнения воды. [74] В Китае в 2007 году жителям отключили воду из-за цветения водорослей в третьем по величине озере, из-за чего 2 миллиона человек были вынуждены использовать бутилированную воду. [102] [103] Менее масштабное отключение воды в Китае затронуло 15 000 жителей два года спустя в другом месте. [104] В 2016 году Австралии также пришлось отключать воду фермерам. [105]
Алан Стайнман из Университета Гранд-Вэлли объяснил, что одной из основных причин цветения водорослей в целом и озера Эри в частности является то, что сине-зеленые водоросли процветают при высоком содержании питательных веществ, а также в теплой и спокойной воде. Озеро Эри более склонно к цветению, поскольку оно имеет высокий уровень питательных веществ и является мелким, что заставляет его быстрее прогреваться летом. [106]
Симптомы от употребления токсичной воды могут проявиться в течение нескольких часов после воздействия. Они могут включать тошноту, рвоту и диарею или вызывать головные боли и желудочно-кишечные проблемы. [21] Хотя это случается редко, токсичность печени может привести к смерти. [21] Эти симптомы затем могут привести к обезвоживанию, еще одной серьезной проблеме. В высоких концентрациях токсины в водорослевых водах при простом прикосновении могут вызывать сыпь на коже, раздражать глаза, нос, рот или горло. [9] Людям с предполагаемыми симптомами рекомендуется вызвать врача, если симптомы сохраняются или они не могут удерживать жидкость в течение 24 часов. [ необходима цитата ]
В исследованиях на уровне популяции было установлено, что цветение растений существенно связано с риском смерти от неалкогольной болезни печени . [107]
Считается, что токсичное цветение водорослей играет роль в развитии у людей дегенеративных неврологических расстройств, таких как боковой амиотрофический склероз и болезнь Паркинсона . [108]
Менее одного процента цветущих водорослей вырабатывают опасные токсины, такие как микроцистины . [20] Хотя сине-зеленые или другие водоросли обычно не представляют прямой угрозы для здоровья, токсины (яды), которые они вырабатывают, считаются опасными для людей, наземных животных, морских млекопитающих, птиц [84] и рыб при попадании токсинов в организм. [20] Токсины являются нейротоксинами , которые разрушают нервную ткань, что может повлиять на нервную систему, мозг и печень и может привести к смерти. [21]
Люди подвергаются воздействию видов HAB при употреблении неправильно собранных моллюсков, вдыхании аэрозольных бреветоксинов (например, токсинов PbTx или Ptychodiscus ) и в некоторых случаях при контакте с кожей. [109] Бреветоксины связываются с потенциалзависимыми натриевыми каналами , важными структурами клеточных мембран. Связывание приводит к постоянной активации нервных клеток, что нарушает нейронную передачу, что приводит к проблемам со здоровьем. Эти токсины создаются внутри одноклеточного организма или как продукт метаболизма. [110] Два основных типа соединений бреветоксина имеют схожие, но различные структуры остова. PbTx-2 является основным внутриклеточным бреветоксином, вырабатываемым цветками K. brevis . Однако со временем бреветоксин PbTx-2 может преобразовываться в PbTx-3 посредством метаболических изменений. [110] Исследователи обнаружили, что PbTx-2 является основным внутриклеточным бреветоксином, который со временем преобразуется в PbTx-3. [111]
В США морепродукты, потребляемые людьми, регулярно проверяются на наличие токсинов Министерством сельского хозяйства США для обеспечения безопасного потребления. Такое тестирование распространено и в других странах. Однако неправильный сбор моллюсков может вызвать паралитическое отравление моллюсками и нейротоксическое отравление моллюсками у людей. [112] [113] Некоторые симптомы включают сонливость, диарею, тошноту, потерю контроля над движениями, покалывание, онемение или боль в конечностях, бессвязность и паралич дыхания. [114] Сообщения о раздражении кожи после купания в океане во время HAB являются обычным явлением. [115]
Когда клетки HAB разрываются, они высвобождают внеклеточные бреветоксины в окружающую среду. Некоторые из них остаются в океане, в то время как другие частицы распыляются. Во время прибрежных ветров бреветоксины могут распыляться посредством пузырькового транспорта, вызывая раздражение дыхательных путей, бронхоконстрикцию , кашель и хрипы, среди прочих симптомов. [115]
Рекомендуется избегать контакта с переносимым ветром аэрозольным токсином. Некоторые люди сообщают об ухудшении дыхательной функции уже через 1 час после воздействия красного прилива K. brevis , и эти симптомы могут сохраняться в течение нескольких дней. [116] Люди с тяжелыми или стойкими респираторными заболеваниями (такими как хроническое заболевание легких или астма) могут испытывать более сильные побочные реакции. [ необходима медицинская ссылка ]
Национальная океаническая служба Национального управления океанических и атмосферных исследований представляет отчет об условиях для населения, в котором определяются возможные воздействия респираторного раздражения в районах, затронутых ВЦВ. [117]
Опасности, которые сопровождают вредоносное цветение водорослей, мешают посетителям наслаждаться пляжами и озерами в таких местах в США, как Флорида, [98] Калифорния, [9] Вермонт, [118] и Юта. [84] Людей, которые надеются насладиться своим отпуском или выходными, держат подальше в ущерб местной экономике. На озерах и реках в Северной Дакоте , Миннесоте , Юте, Калифорнии и Огайо были размещены знаки, предупреждающие о потенциальном риске для здоровья. [119]
Похожие цветения стали более распространенными в Европе, и Франция была среди стран, сообщивших о них. Летом 2009 года пляжи в северной Бретани были покрыты тоннами потенциально смертельных гниющих зеленых водорослей. Лошадь, на которой ехали по пляжу, упала и умерла от испарений, выделяемых гниющими водорослями. [120]
Экономический ущерб, вызванный потерей бизнеса, стал серьезной проблемой. Согласно одному отчету за 2016 год, четыре основных экономических последствия вредоносного цветения водорослей связаны с ущербом для здоровья человека, рыболовства, туризма и отдыха, а также с расходами на мониторинг и управление территориями, где происходит цветение. [121] Агентство по охране окружающей среды оценивает, что цветение водорослей влияет на 65 процентов основных эстуариев страны, с ежегодными расходами в 2,2 миллиарда долларов. [95] В США насчитывается около 166 прибрежных мертвых зон. [95] Поскольку сбор данных из источников за пределами США был более сложным и ограниченным, большинство оценок по состоянию на 2016 год были в основном для США [121]
В портовых городах провинции Шаньдун на востоке Китая жители больше не удивляются, когда ежегодно происходит массовое цветение водорослей, затопляющее пляжи. Перед Олимпиадой в Пекине в 2008 году более 10 000 человек работали над очисткой пляжей от 20 000 тонн мертвых водорослей. [122] В 2013 году еще одно цветение в Китае, которое, как полагают, было самым крупным за всю историю, [123] охватило площадь в 7 500 квадратных миль, [122] а в 2015 году за ним последовало еще одно, охватившее еще большую площадь в 13 500 квадратных миль. Считается, что цветение в Китае вызвано загрязнением неочищенными сельскохозяйственными и промышленными стоками в реки, ведущие в океан. [124]
Еще в 1976 году кратковременная, относительно небольшая мертвая зона у берегов Нью-Йорка и Нью-Джерси обошлась коммерческому и любительскому рыболовству более чем в 500 миллионов долларов. [125] В 1998 году в Гонконге из-за HAB погибло более 10 миллионов долларов ценных рыб. [76]
В 2009 году экономический ущерб для прибрежных округов штата Вашингтон , зависящих от его рыболовной промышленности, оценивался в 22 миллиона долларов. [126] В 2016 году американская индустрия морепродуктов ожидала, что будущие потери доходов могут составить 900 миллионов долларов в год. [121]
NOAA предоставило несколько оценок расходов на различные виды цветения за последние несколько лет: [127] 10,3 млн долларов в 2011 году из-за ВЦВ на устричных причалах в Техасе; 2,4 млн долларов потерянного дохода племенной торговли из-за закрытия рыболовных промыслов на северо-западе Тихого океана в 2015 году; 40 млн долларов из-за потери туризма в штате Вашингтон из-за того же закрытия рыболовных промыслов.
Наряду с ущербом для бизнеса, потери от человеческих болезней приводят к потере заработной платы и ухудшению здоровья. Расходы на медицинское лечение, расследование органами здравоохранения путем взятия проб воды и тестирования, а также размещение предупреждающих знаков в пострадавших местах также обходятся дорого. [128]
Закрытие районов, где происходит цветение водорослей, оказывает большое негативное влияние на рыболовную промышленность, к этому следует добавить высокую смертность рыбы, рост цен из-за нехватки рыбы и снижение спроса на морепродукты из-за страха заражения токсинами. [129] Это наносит большой экономический ущерб отрасли.
Экономические издержки, как ожидается, возрастут. Например, в июне 2015 года крупнейший известный токсичный HAB привел к закрытию индустрии моллюсков на западном побережье, что произошло впервые. Один из экспертов NOAA в Сиэтле прокомментировал: «Это беспрецедентно с точки зрения масштабов и масштабов этого вредоносного цветения водорослей и теплых условий воды, которые мы наблюдаем в открытом море...» [130] Цветение охватило территорию от Санта-Барбары, Калифорния, на север до Аляски . [131]
Негативное воздействие на рыбу может быть еще более серьезным, когда они содержатся в загонах, как на рыбоводческих фермах. В 2007 году рыбоводческая ферма в Британской Колумбии потеряла 260 тонн лосося в результате цветения [132] , а в 2016 году ферма в Чили потеряла 23 миллиона лососей после цветения водорослей [133] .
Наличие вредоносного цветения водорослей может привести к гипоксии или аноксии в водоеме. Истощение кислорода в водоеме может привести к созданию мертвой зоны . Мертвые зоны возникают, когда водоем становится непригодным для выживания организмов в этом месте. ВЦВ вызывают мертвые зоны, потребляя кислород в этих водоемах, оставляя минимальный кислород доступным для других морских организмов. Когда ВЦВ умирают, их тела опускаются на дно водоема, поскольку разложение их тел (благодаря бактериям) является причиной потребления кислорода. Как только уровень кислорода становится настолько низким, ВЦВ помещают водоем в состояние гипоксии, и эти низкие уровни кислорода заставляют морские организмы искать более подходящие места для своего выживания. [134]
Цветы могут наносить вред окружающей среде, даже не производя токсинов, истощая кислород из воды во время роста и распадаясь после смерти. Цветы также могут блокировать солнечный свет для организмов, живущих под ними. Рекордное количество и размер цветков образовались на побережье Тихого океана, в озере Эри, в Чесапикском заливе и в Мексиканском заливе, где в результате образовалось несколько мертвых зон. [135] В 1960-х годах число мертвых зон во всем мире составляло 49; к 2008 году их число возросло до более чем 400. [125]
Среди крупнейших мертвых зон были те, что находятся в Балтийском море на севере Европы и в Мексиканском заливе, что влияет на рыбную промышленность США стоимостью 2,8 млрд долларов. [74] К сожалению, мертвые зоны редко восстанавливаются и обычно увеличиваются в размерах. [125] Одна из немногих мертвых зон, которая когда-либо восстановилась, была в Черном море , которое довольно быстро вернулось к норме после распада Советского Союза в 1990-х годах из-за сокращения использования удобрений. [125]
Массовая гибель рыбы была вызвана ВЦВ. [136] В 2016 году 23 миллиона лососей, выращиваемых в Чили, погибли из-за токсичного цветения водорослей. [137] Чтобы избавиться от мертвой рыбы, ту, которая была пригодна для употребления в пищу, перерабатывали в рыбную муку, а остальную сбрасывали в 60 милях от берега, чтобы избежать рисков для здоровья человека. [137] Экономические издержки этой гибели оцениваются в 800 миллионов долларов. [137] Эксперт по окружающей среде Лестер Браун написал, что выращивание лосося и креветок в прибрежных прудах концентрирует отходы, что способствует эвтрофикации и созданию мертвых зон. [138]
Другие страны сообщили о подобных последствиях, в таких городах, как Рио-де-Жанейро , Бразилия, где массовая гибель рыбы из-за цветения стала обычным явлением. [139] В начале 2015 года в Рио было собрано около 50 тонн мертвой рыбы из лагуны, где планировалось проведение водных мероприятий на Олимпийских играх 2016 года. [139]
Залив Монтерей пострадал от вредоносного цветения водорослей, последний раз в 2015 году: «Периодические цветения токсин-продуцирующих диатомовых водорослей Pseudo-nitzschia были зарегистрированы более 25 лет назад в заливе Монтерей и в других местах вдоль западного побережья США. Во время большого цветения токсин накапливается в моллюсках и мелкой рыбе, такой как анчоусы и сардины, которые питаются водорослями, вызывая закрытие некоторых промыслов и отравление морских млекопитающих и птиц, которые питаются загрязненной рыбой». [140] Аналогичные случаи гибели рыб из-за токсичных водорослей или недостатка кислорода наблюдались в России, [141] Колумбии, [142] Вьетнаме, [143] Китае, [144] Канаде, [145] Турции, [146] Индонезии, [147] и Франции. [148]
Пострадали наземные животные, включая скот и домашних животных. Собаки погибли от токсинов после купания в цветущих водорослях. [149] Предупреждения поступили от правительственных агентств в штате Огайо, которые отметили, что многие собаки и скот погибли в результате воздействия ВЦВ в США и других странах. Они также отметили в отчете за 2003 год, что в течение предыдущих 30 лет они наблюдали более частые и продолжительные вредоносные цветения водорослей». [150] В 50 странах и 27 штатах в том году были сообщения о заболеваниях людей и животных, связанных с токсинами водорослей. [150] В Австралии министерство сельского хозяйства предупредило фермеров, что токсины от ВЦВ имеют «потенциал очень быстро убивать большое количество скота». [151]
Морские млекопитающие также серьезно пострадали, так как более 50 процентов необычных смертей морских млекопитающих вызваны вредоносным цветением водорослей. [152] В 1999 году более 65 дельфинов-афалин погибли во время прибрежного ВЦВ во Флориде. [153] В 2013 году ВЦВ на юго-западе Флориды убило рекордное количество ламантинов . [154] Киты также погибли в большом количестве. В период с 2005 по 2014 год Аргентина сообщила о средней гибели 65 детенышей китов, что эксперты связали с цветением водорослей. Эксперт по китам ожидает, что популяция китов значительно сократится. [155] В 2003 году у мыса Кейп-Код в Северной Атлантике по меньшей мере 12 горбатых китов погибли от токсичных водорослей из-за ВЦВ. [156] В 2015 году Аляска и Британская Колумбия сообщили о многих горбатых китах , вероятно, погибших от токсинов HAB, 30 из которых были выброшены на берег Аляски. «Наша основная теория на данный момент заключается в том, что вредоносное цветение водорослей способствовало гибели», — сказал представитель NOAA. [157] [158]
Птицы погибали после употребления в пищу мертвой рыбы, загрязненной токсичными водорослями. Гниющую и разлагающуюся рыбу едят такие птицы, как пеликаны , чайки , бакланы и, возможно, морские или наземные млекопитающие, которые затем отравляются. [136] Нервная система мертвых птиц была исследована и оказалась неисправной из-за воздействия токсина. [93] На побережье Орегона и Вашингтона в 2009 году также погибли тысячи турпанов , или морских уток. «Это колоссально», — сказал профессор университета. [159] Поскольку умирающих или мертвых птиц выбрасывало на берег, агентства по охране дикой природы перешли в «режим чрезвычайного кризиса». [159]
Было даже высказано предположение, что вредоносное цветение водорослей является причиной гибели животных, найденных в ископаемых кладах, [160] таких как десятки скелетов китообразных, найденных в Серро Баллена . [161]
Вредное цветение водорослей в морских экосистемах, как было замечено, оказывает неблагоприятное воздействие на широкий спектр водных организмов, в первую очередь на морских млекопитающих, морских черепах, морских птиц и рыб. Воздействие токсинов HAB на эти группы может включать вредные изменения в их возможностях развития, иммунологических, неврологических или репродуктивных возможностях. Наиболее заметным воздействием HAB на морскую фауну являются крупномасштабные случаи смертности, связанные с цветением, вызывающим токсины. Например, массовая гибель 107 дельфинов-афалин произошла вдоль Флоридского выступа весной 2004 года из-за употребления в пищу загрязненного менхадена с высоким содержанием бреветоксина . [162] Смертность ламантинов также была приписана бреветоксину, но в отличие от дельфинов, основным переносчиком токсина был эндемичный вид морской травы ( Thalassia testudinum ), в котором были обнаружены высокие концентрации бреветоксинов, которые впоследствии были обнаружены в качестве основного компонента содержимого желудка ламантинов. [162]
Дополнительные виды морских млекопитающих, такие как находящийся под угрозой исчезновения североатлантический гладкий кит , подверглись воздействию нейротоксинов, охотясь на сильно загрязненный зоопланктон . [163] Поскольку летняя среда обитания этого вида совпадает с сезонным цветением токсичного динофлагеллята Alexandrium fundyense и последующим выпасом веслоногих рачков, кормящиеся гладкие киты будут поглощать большие концентрации этих загрязненных веслоногих рачков . Поглощение такой загрязненной добычи может повлиять на дыхательные возможности, пищевое поведение и, в конечном счете, на репродуктивное состояние популяции. [163]
Иммунная система была затронута воздействием бреветоксина у другого находящегося под угрозой исчезновения вида, логгерхеда . Воздействие бреветоксина при вдыхании аэрозольных токсинов и употреблении зараженной добычи может иметь клинические признаки повышенной летаргии и мышечной слабости у логгерхеда, в результате чего эти животные выбрасываются на берег в состоянии пониженного метаболизма с усилением реакции иммунной системы при анализе крови. [164]
Примерами распространенных вредных последствий ВЦВ являются:
ВЦВ естественным образом возникают у берегов по всему миру. Морские динофлагелляты вырабатывают ихтиотоксины. Там, где происходят ВЦВ, мертвая рыба выбрасывается на берег в течение двух недель после того, как ВЦВ прошел через этот район. Помимо гибели рыбы, токсичные водоросли загрязняют моллюсков. Некоторые моллюски не восприимчивы к токсину и хранят его в своих жировых тканях. Потребляя организмы, ответственные за ВЦВ, моллюски могут накапливать и удерживать сакситоксин, вырабатываемый этими организмами. Сакситоксин блокирует натриевые каналы , и его прием внутрь может вызвать паралич в течение 30 минут. [113]
Помимо прямого вреда морским животным и потери растительности, вредоносное цветение водорослей может также привести к закислению океана , которое происходит, когда количество углекислого газа в воде увеличивается до неестественного уровня. Закисление океана замедляет рост некоторых видов рыб и моллюсков и даже предотвращает образование раковин у некоторых видов моллюсков. Эти тонкие, небольшие изменения могут со временем накапливаться, вызывая цепные реакции и разрушительные последствия для целых морских экосистем. [166] Другие животные, которые едят открытых моллюсков, восприимчивы к нейротоксину, что может привести к нейротоксическому отравлению моллюсками [112] и иногда даже к смерти. Большинство моллюсков и мидий фильтруют пищу, что приводит к более высоким концентрациям токсина, чем просто при питье воды. [167] Например, морская чернеть — это ныряющая утка , рацион которой в основном состоит из моллюсков. Когда морская чернеть ест моллюсков-фильтраторов, которые накопили высокие уровни токсина HAB, их популяция становится главной целью для отравления. Однако даже птицы, которые не едят моллюсков, могут пострадать, просто съев мертвую рыбу на пляже или выпив воду. [168]
Токсины, выделяемые цветением, могут убивать морских животных, включая дельфинов , морских черепах, птиц и ламантинов . [169] [170] Флоридский ламантин, подвид западно-индийского ламантина, является видом, часто подвергающимся воздействию цветения красного прилива. Флоридские ламантины часто подвергаются воздействию ядовитых токсинов красного прилива либо через потребление, либо через вдыхание. На стеблях морской травы растет много мелких морских желудей, ракообразных и других эпифитов. Эти крошечные существа отфильтровывают частицы из воды вокруг себя и используют эти частицы в качестве основного источника пищи. Во время цветения красного прилива они также отфильтровывают токсичные клетки красного прилива из воды, которые затем концентрируются внутри них. Хотя эти токсины не вредят эпифитам, они чрезвычайно ядовиты для морских существ, которые потребляют (или случайно потребляют) открытые эпифиты, например, ламантинов. Когда ламантины неосознанно потребляют открытые эпифиты во время поедания морской травы, токсины впоследствии высвобождаются из эпифитов и попадают в организм ламантинов. Помимо потребления, ламантины также могут подвергаться воздействию переносимых по воздуху бреветоксинов, выделяемых вредными клетками красного прилива при прохождении через цветение водорослей. [171] У ламантинов также есть иммунный ответ на ВЦВ и их токсины, которые могут сделать их еще более восприимчивыми к другим стрессорам. Из-за этой восприимчивости ламантины могут умереть либо от немедленных, либо от последующих эффектов ВЦВ. [172] Помимо того, что воздействие красного прилива приводит к гибели ламантинов, оно также вызывает серьезные сублетальные проблемы со здоровьем среди популяций ламантинов во Флориде. Исследования показали, что воздействие красного прилива среди свободно плавающих ламантинов во Флориде, как было показано, отрицательно влияет на иммунную функцию, вызывая усиление воспаления, снижение реакций пролиферации лимфоцитов и окислительный стресс. [173] Рыбам, таким как атлантическая сельдь, американский минтай, зимняя камбала, атлантический лосось и треска, в ходе эксперимента вводили эти токсины перорально, и в течение нескольких минут у испытуемых начиналась потеря равновесия, и они начинали плавать нерегулярно, рывками, за чем следовал паралич и поверхностное, аритмичное дыхание, а в конечном итоге смерть примерно через час. [174] Было показано, что HAB также оказывают отрицательное влияние на функции памяти морских львов. [175]
Поскольку многие случаи цветения водорослей вызваны значительным притоком богатых питательными веществами стоков в водоем, программы по очистке сточных вод, сокращению чрезмерного использования удобрений в сельском хозяйстве и сокращению объемного потока стоков могут быть эффективными для снижения сильного цветения водорослей в устьях рек, эстуариях и океане непосредственно перед устьем реки.
Нитраты и фосфор в удобрениях вызывают цветение водорослей, когда они стекают в озера и реки после сильных дождей. Были предложены модификации методов ведения сельского хозяйства, такие как использование удобрений только целенаправленно в подходящее время, именно там, где это может принести наибольшую пользу для урожая, чтобы сократить потенциальный сток. [176] Успешно используемый метод - капельное орошение , которое вместо широкого рассеивания удобрений на полях, орошает корни растений капельным способом через сеть трубок и эмиттеров, не оставляя следов удобрений, которые можно было бы смыть. [177] Капельное орошение также предотвращает образование цветения водорослей в резервуарах для питьевой воды, экономя до 50% воды, обычно используемой в сельском хозяйстве. [178] [179]
Также были предложения по созданию буферных зон из листвы и водно-болотных угодий, которые помогут отфильтровать фосфор до того, как он достигнет воды. [176] Другие эксперты предложили использовать консервационную обработку почвы, изменение севооборота и восстановление водно-болотных угодий. [176] При правильном управлении некоторые мертвые зоны могут сократиться в течение года. [180]
Было несколько историй успеха в контроле химикатов. Например, после того, как в 1986 году из-за низкого уровня кислорода в Норвегии прекратился промысел лобстеров, правительство соседней Дании приняло меры и сократило выбросы фосфора на 80 процентов, что приблизило уровень кислорода к норме. [180] Аналогичным образом, мертвые зоны в Черном море и вдоль реки Дунай восстановились после того, как фермеры сократили внесение фосфора на 60%. [180]
Питательные вещества могут быть навсегда удалены из водно-болотных угодий путем сбора водно-болотных растений, что уменьшит приток питательных веществ в окружающие водоемы. [181] [182] Продолжаются исследования по определению эффективности плавающих матов из рогоза в удалении питательных веществ из поверхностных вод, которые слишком глубоки для поддержания роста водно-болотных растений. [183]
В США поверхностный сток является крупнейшим источником питательных веществ, добавляемых в реки и озера, но в основном не регулируется федеральным Законом о чистой воде . [184] : 10 [185] [186] Местные инициативы по сокращению загрязнения питательными веществами реализуются в различных районах страны, таких как район Великих озер и Чесапикский залив . [187] [188] Чтобы помочь сократить цветение водорослей в озере Эри , штат Огайо представил в 2016 году план по сокращению стока фосфора. [189]
Хотя ряд альгицидов оказался эффективным в уничтожении водорослей, они использовались в основном в небольших водоемах. Однако при большом цветении водорослей добавление альгицидов, таких как нитрат серебра или сульфат меди, может иметь худшие последствия, такие как прямая гибель рыбы и нанесение вреда другим диким животным. [190] Цианобактерии также могут вырабатывать устойчивость к альгицидам, содержащим медь, требуя большего количества химиката для эффективного управления ВЦВ, но представляя больший риск для других видов в регионе. [191] Таким образом, отрицательные последствия могут быть хуже, чем если бы водоросли погибли естественным путем. [190] [192]
В 2019 году озеро Чиппева на северо-востоке Огайо стало первым озером в США, где успешно протестировали новую химическую обработку. Химическая формула убила все токсичные водоросли в озере в течение одного дня. Формула уже использовалась в Китае, Южной Африке и Израиле. [194]
В феврале 2020 года плотина Рудеплат в провинции Гаутенг , Южная Африка, была обработана новой формулой альгицида против сильного цветения Microcystis sp. Эта формула позволяет гранулированному продукту плавать и медленно высвобождать свой активный ингредиент, перкарбонат натрия , который выделяет перекись водорода (H 2 O 2 ), на поверхности воды. Следовательно, эффективные концентрации ограничены по вертикали поверхностью воды; и пространственно - областями, где много цианобактерий . Это обеспечивает водным организмам «безопасное убежище» в необработанных областях и позволяет избежать неблагоприятных эффектов, связанных с использованием стандартных альгицидов . [195]
Биоактивные соединения, выделенные из наземных и водных растений, в частности, морских водорослей, показали результаты как более экологически чистый контроль HABs. Молекулы, обнаруженные в морских водорослях, таких как Corallina , Sargassum и Saccharina japonica, показали способность подавлять некоторые микроводоросли, формирующие цветение. В дополнение к их антимикроводорослевому эффекту, биоактивные молекулы, обнаруженные в этих морских водорослях, также обладают антибактериальными, противогрибковыми и антиоксидантными свойствами. [191]
Другие химикаты тестируются на эффективность удаления цианобактерий во время цветения. Модифицированные глины, такие как модифицированная хлоридом алюминия глина (AC-MC), модифицированная сульфидом алюминия глина (AS-MC) и модифицированная полихлоридом алюминия глина (PAC-MC) показали положительные результаты in vitro для удаления Aureococcus , задерживая микроводоросли в осадке глины, удаляя их из верхнего слоя воды, где может возникнуть вредоносное цветение. [193]
Было предпринято много усилий в попытке контролировать ВЦВ, чтобы свести к минимуму вред, который они наносят. Исследования по использованию глины для контроля ВЦВ доказали, что этот метод может быть эффективным способом снижения негативных последствий, вызванных ВЦВ. Добавление хлорида алюминия , сульфата алюминия или полиалюминийхлорида к глине может модифицировать поверхность глины и повысить ее эффективность в удалении ВЦВ из водоема. Добавление соединений, содержащих алюминий, заставляет частицы глины достигать положительного заряда, при этом эти частицы затем подвергаются флокуляции с вредными клетками водорослей. Затем клетки водорослей группируются вместе: превращаясь в осадок вместо суспензии . Процесс флокуляции ограничит рост цветения и уменьшит воздействие, которое цветение может оказать на территорию. [196]
В Нидерландах успешное удаление водорослей и фосфатов из поверхностных вод было достигнуто путем прокачки загрязненной воды через гидродинамический сепаратор. Очищенная вода затем освобождается от водорослей и содержит значительно меньшее количество фосфатов, поскольку удаленные клетки водорослей содержат много фосфатов. Очищенная вода также становится менее мутной. Будущие проекты будут изучать положительное воздействие на экологию и морскую жизнь, поскольку ожидается, что растительная жизнь будет восстановлена, а сокращение количества донных рыб автоматически снизит мутность очищенной воды. Удаленные водоросли и фосфаты могут оказаться не в качестве отходов, а в качестве корма для биореакторов.
Другие эксперты предложили строить водохранилища, чтобы предотвратить перемещение водорослей вниз по течению. Однако это может привести к росту водорослей внутри водохранилища, которые становятся ловушками для осадков с последующим накоплением питательных веществ. [190] Некоторые исследователи обнаружили, что интенсивное цветение в водохранилищах было основным источником токсичных водорослей, наблюдаемых ниже по течению, но перемещение водорослей до сих пор изучено меньше, хотя оно считается вероятной причиной перемещения водорослей. [192] [197]
Сокращение популяций моллюсков-фильтраторов, таких как устрицы , вероятно, способствует возникновению HAB. [198] Таким образом, многочисленные исследовательские проекты оценивают потенциал восстановленных популяций моллюсков для снижения возникновения HAB. [199] [200] [201]
Другие средства включают использование усовершенствованных методов мониторинга, попытки улучшить предсказуемость и тестирование новых потенциальных методов контроля ВЦВ. [73] Некоторые страны, окружающие Балтийское море, которое имеет самую большую в мире мертвую зону, рассматривали возможность использования масштабных геоинженерных вариантов, таких как нагнетание воздуха в нижние слои для их аэрации. [125]
Математические модели полезны для прогнозирования будущего цветения водорослей. [45]
Все большее число ученых соглашается с тем, что существует острая необходимость в защите населения путем прогнозирования вредоносного цветения водорослей. [202] Один из способов, которым они надеются это сделать, — это использование сложных датчиков, которые могут помочь предупредить о потенциальном цветении. [203] Те же типы датчиков могут также использоваться на водоочистных сооружениях, чтобы помочь им подготовиться к более высоким уровням токсичности. [202] [204]
Единственные датчики, которые сейчас используются, расположены в Мексиканском заливе. В 2008 году аналогичные датчики в заливе предупредили о повышенном уровне токсинов, что привело к остановке сбора моллюсков в Техасе, а также отзыву мидий, моллюсков и устриц, что, возможно, спасло много жизней. С увеличением размера и частоты ВЦВ эксперты заявляют о необходимости значительного увеличения количества датчиков, расположенных по всей стране. [202] Те же типы датчиков могут также использоваться для обнаружения угроз питьевой воде от преднамеренного загрязнения. [205]
Спутниковые и дистанционные технологии зондирования становятся все более важными для мониторинга, отслеживания и обнаружения ВЦВ. [206] [207] [208] [209] Четыре федеральных агентства США — Агентство по охране окружающей среды, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), NOAA и Геологическая служба США (USGS) — работают над способами обнаружения и измерения цветения цианобактерий с использованием спутниковых данных. [210] Эти данные могут помочь в разработке индикаторов раннего оповещения о цветении цианобактерий путем мониторинга как локального, так и национального охвата. [211] В 2016 году автоматизированные системы раннего оповещения были успешно испытаны и впервые доказали способность определять быстрый рост водорослей и последующее истощение кислорода в воде. [212]
В июле 2016 года Флорида объявила чрезвычайное положение в четырех округах из-за цветения. Сообщалось, что оно «уничтожает» ряд предприятий и влияет на местную экономику, многие из которых должны были полностью закрыться. [255] Некоторые пляжи были закрыты, а отели и рестораны пострадали от спада бизнеса. Также пострадали такие туристические виды спорта, как рыбалка и катание на лодках. [256] [257]
В 2019 году самое большое цветение саргассума , когда-либо наблюдавшееся, вызвало кризис в туристической отрасли Северной Америки . Это событие, вероятно, было вызвано изменением климата и загрязнением питательными веществами от удобрений . [258] Несколько стран Карибского бассейна рассматривали возможность объявления чрезвычайного положения из-за воздействия на туризм в результате ущерба окружающей среде и потенциально токсичных и вредных последствий для здоровья. [259]
В заливе Мэн часто наблюдается цветение динофлагеллята Alexandrium fundyense , организма, который вырабатывает сакситоксин , нейротоксин, ответственный за паралитическое отравление моллюсками . Известный «Флоридский красный прилив», который происходит в Мексиканском заливе, является ВЦВ, вызванным Karenia brevis , другим динофлагеллятом, который вырабатывает бреветоксин, нейротоксин, ответственный за нейротоксическое отравление моллюсками . В прибрежных водах Калифорнии также наблюдается сезонное цветение Pseudo-nitzschia , диатомового водоросля, известного тем, что он вырабатывает домоевую кислоту , нейротоксин, ответственный за амнезическое отравление моллюсками .
Термин «красный прилив» чаще всего используется в США для обозначения цветения Karenia brevis в восточной части Мексиканского залива , также называемого «красным приливом Флориды». K. brevis — один из многих видов рода Karenia, встречающихся в мировых океанах. [260]
Значительные успехи были достигнуты в изучении динофлагеллятов и их геномики. Некоторые из них включают идентификацию генов, продуцирующих токсины ( гены PKS ), исследование изменений окружающей среды (температура, свет/темнота и т. д.), которые влияют на экспрессию генов, а также оценку сложности генома Karenia . [260] Эти цветения были задокументированы с 1800-х годов и происходят почти ежегодно вдоль побережья Флориды. [260]
В 1980-х и 1990-х годах наблюдалась возросшая исследовательская активность в отношении вредоносного цветения водорослей (ВЦВ). Это было в первую очередь обусловлено вниманием средств массовой информации к открытию новых организмов ВЦВ и потенциально неблагоприятным последствиям для здоровья от их воздействия на животных и людей. [261] [ необходима полная цитата ] Было замечено, что красные приливы во Флориде распространились вплоть до восточного побережья Мексики. [260] Плотность этих организмов во время цветения может превышать десятки миллионов клеток на литр морской воды и часто окрашивают воду в глубокий красновато-коричневый оттенок.
Красный прилив также иногда используется для описания вредоносного цветения водорослей на северо-восточном побережье Соединенных Штатов, особенно в заливе Мэн . Этот тип цветения вызывается другим видом динофлагеллятов, известным как Alexandrium fundyense . Это цветение организмов вызывает серьезные нарушения в рыболовстве в этих водах, поскольку токсины в этих организмах заставляют моллюсков-фильтраторов в пораженных водах становиться ядовитыми для потребления человеком из-за сакситоксина. [262]
Родственный вид Alexandrium monilatum встречается в мелководных субтропических или тропических морях и эстуариях в западной части Атлантического океана , Карибском море , Мексиканском заливе и восточной части Тихого океана .
Естественные водоемы в Техасе находятся под угрозой из-за антропогенной деятельности из-за крупных нефтеперерабатывающих заводов и нефтяных скважин (т. е. выбросов и сброса сточных вод), масштабной сельскохозяйственной деятельности (т. е. выброса пестицидов) и добычи полезных ископаемых (т. е. токсичных сточных вод), а также природных явлений, связанных с частыми событиями HAB. Впервые в 1985 году штат Техас задокументировал наличие цветения P. parvum (золотистой водоросли) вдоль реки Пекос . Это явление затронуло 33 водоема в Техасе вдоль основных речных систем, включая Бразос, Канадскую, Рио-Гранде, Колорадо и Ред-Ривер, и привело к гибели более 27 миллионов рыб и нанесло ущерб в десятки миллионов долларов. [263]
.jpg/1280px-July_12,_2013_-_Sassafras_River,_VA_Algal_Bloom_(9321804011).jpg)
Чесапикский залив , крупнейший эстуарий в США, десятилетиями страдал от повторяющихся крупных цветений водорослей из-за химического стока из нескольких источников, [264] включая 9 крупных рек и 141 меньший ручей и ручей в частях шести штатов. Кроме того, вода довольно мелкая, и только 1% отходов, попадающих в нее, смывается в океан. [51]
По весу 60% фосфатов, поступивших в залив в 2003 году, были из очистных сооружений, в то время как 60% его нитратов поступили из стоков удобрений, отходов сельскохозяйственных животных и атмосферы. [51] Около 300 миллионов фунтов (140 Гг) нитратов добавляется в залив каждый год. [265] Рост населения в водоразделе залива с 3,7 миллионов человек в 1940 году до 18 миллионов в 2015 году также является важным фактором, [51] поскольку экономический рост приводит к увеличению использования удобрений и увеличению выбросов промышленных отходов. [266] [267]
По состоянию на 2015 год шесть штатов и местные органы власти в водоразделе Чесапик модернизировали свои очистные сооружения для контроля сбросов питательных веществ. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) подсчитало, что усовершенствования очистных сооружений в регионе Чесапик в период с 1985 по 2015 год предотвратили сброс 900 миллионов фунтов (410 Гг) питательных веществ, при этом сбросы азота сократились на 57%, а фосфора — на 75%. [268] Загрязнение сельскохозяйственными и городскими стоками по-прежнему остается основным источником питательных веществ в заливе, и усилия по решению этих проблем продолжаются на всем водоразделе площадью 64 000 квадратных миль (170 000 км 2 ). [269]
Недавнее цветение водорослей в озере Эри было вызвано в основном сельскохозяйственными стоками и привело к предупреждениям для некоторых людей в Канаде и Огайо не пить их воду. [270] [271] Международная совместная комиссия призвала Соединенные Штаты и Канаду резко сократить выбросы фосфора в озеро Эри для устранения угрозы. [272] [273] [274]
В Грин-Бей есть мертвая зона, вызванная загрязнением фосфором, которое, по-видимому, ухудшается. [275]
Озеро Окичоби является идеальной средой обитания для цианобактерий, поскольку оно мелкое, солнечное и насыщено питательными веществами из сельского хозяйства Флориды. [276] Водный путь Окичоби соединяет озеро с Атлантическим океаном и Мексиканским заливом через реку Сент-Люси и Калусахатчи соответственно. Это означает, что вредоносное цветение водорослей переносится вниз по устьям рек, когда вода сбрасывается во влажные летние месяцы. В июле 2018 года до 90% озера Окичоби было покрыто водорослями. [277] [278] Вода, стекающая из озера, наполнила регион неприятным запахом и вызвала проблемы с дыханием у некоторых людей в течение следующего месяца. [279] Что еще хуже, вредоносное цветение красного прилива исторически распространено на побережьях Флориды в эти же летние месяцы. [280] Цианобактерии в реках погибают, достигая соленой воды, но их фиксация азота питает красный прилив на побережье. [280] Таким образом, районы в устье эстуариев, такие как Кейп-Корал и Порт-Сент-Люси, испытывают комплексное воздействие обоих типов вредоносного цветения водорослей. Бригады по очистке, нанятые властями округа Ли , где Калусахатчи встречается с Мексиканским заливом, удалили более 1700 тонн мертвых морских существ в августе 2018 года. [281]
В 2020 году крупное вредоносное цветение водорослей закрыло пляжи в Польше и Финляндии, вызванное сочетанием стока удобрений и экстремальной жары, что создало риск для камбалы и мидий. [282] [283] Группа действий по Балтийскому морю рассматривает это как угрозу биоразнообразию и региональным рыбным запасам. [284]
Открытая дефекация распространена в Южной Азии, но человеческие отходы часто упускаются из виду как источник загрязнения питательными веществами при моделировании загрязнения морской среды. Когда азот (N) и фосфор (P), вносимые человеческими отходами, были включены в модели для Бангладеш, Индии и Пакистана, предполагаемые поступления N и P в водоемы увеличились на один-два порядка по сравнению с предыдущими моделями. [47] Речной экспорт питательных веществ в прибрежные моря увеличивает потенциал прибрежной эвтрофикации (ICEP). ICEP реки Годавари в три раза выше, если включить поступления N и P из человеческих отходов.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)По закону сбросы ливневых вод с сельскохозяйственных угодий и возвратные потоки с орошаемого земледелия не являются "точечными источниками".