Nella tarda primavera 2015, la costa occidentale del Nord America ha registrato una delle fioriture algali più tossiche mai registrate. La fioritura ha colpito la fauna selvatica, comprese le acciughe, uccelli marini, e leoni marini, e ha portato alla chiusura della pesca commerciale dalla California a Washington. Gli scienziati hanno rapidamente appreso che la fioritura consisteva di diatomee nel genere Pseudo-nitzschia , ma non riuscivano a capire perché queste alghe fossero diventate così tossiche. Un nuovo giornale in Lettere di ricerca geofisica mostra che, almeno a Monterey Bay, le diatomee in questa fioritura sono diventate particolarmente tossiche a causa di un rapporto insolitamente basso tra silicato e nitrato nelle acque della baia.

Alcune specie di Pseudo-nitzschia le diatomee producono una potente neurotossina chiamata acido domoico, che può causare convulsioni e morte nei mammiferi. Le precedenti fioriture di queste diatomee nel 1991 e nel 1998 hanno ammalato e ucciso numerosi uccelli marini e leoni marini nella baia di Monterey. Tuttavia, i ricercatori stanno ancora cercando di capire perché alcune fioriture di Pseudo-nitzschia siano più tossiche di altre.

Il 2015 Pseudo-nitzschia bloom ha coinciso con un esperimento di biologia su larga scala nella baia di Monterey chiamato Ecology and Oceanography of Harmful Algal Blooms (ECOHAB). Durante questo esperimento, scienziati di MBARI, l'Università della California a Santa Cruz, Laboratori marini Moss Landing, e la National Oceanic and Atmospheric Administration ha misurato le condizioni oceanografiche e le concentrazioni di Pseudo-nitzschia e acido domoico in tutta la baia di Monterey.

Durante l'esperimento ECOHAB, il team di ricerca ha inviato robot sottomarini in giro per la baia. I sensori a bordo dei veicoli robotici hanno rivelato concentrazioni estremamente elevate di sostanze tossiche Pseudo-nitzschia diatomee in agguato sotto la superficie. I ricercatori hanno anche ancorato due strumenti robotici di biologia molecolare (Environmental Sample Processors, o ESP) vicino alle estremità nord e sud della baia. Gli ESP hanno confermato che la fioritura consisteva principalmente di una specie particolarmente tossica, Pseudo-nitzschia australiano, e che queste diatomee contenevano concentrazioni insolitamente elevate di acido domoico. Il risultato fu una combinazione mortale:dense popolazioni di diatomee particolarmente tossiche.

Giovanni Ryan, un oceanografo MBARI e autore principale del recente articolo, volevo sapere quali fattori hanno influenzato la crescita e la tossicità della fioritura 2015 a Monterey Bay. Lavorando con il team ECOHAB, ha esaminato le condizioni fisiche e chimiche che hanno portato alla fioritura del 2015, e confrontato questi dati con le condizioni misurate negli anni precedenti.

Ryan ha prima considerato la possibilità che le acque oceaniche insolitamente calde possano aver avuto un ruolo nella fioritura. Dal 2014 al 2016 l'acqua di superficie nel Pacifico nord-orientale è stata molto più calda del solito, un fenomeno soprannominato "warm blob". Ma dopo aver confrontato le condizioni del 2015 con i dati storici, Ryan ha scoperto che le acque della baia di Monterey non erano insolitamente calde durante la fioritura. L'acqua calda ha influito sulla baia prima e dopo la fioritura, ma durante la primavera del 2015 le acque sono state raffreddate da risalita locale.

Il sollevamento si verifica quando i forti venti da nord-ovest spostano l'acqua superficiale lontano dalla riva, permettendo il freddo, acque profonde, ricco di nitrati, silicato, e altri nutrienti, risalire alla superficie del mare. Poiché questi nutrienti agiscono come fertilizzanti per le alghe marine, eventi di risalita spesso portano a fioriture di diatomee. La risalita è comune intorno a Monterey Bay durante la primavera.

Durante la primavera del 2015, un evento di risveglio molto forte alla fine di marzo ha avviato il Pseudo-nitzschia fioritura. Questo è stato seguito da diversi eventi più miti che hanno ringiovanito le popolazioni di diatomee consentendo alle alghe alla deriva di persistere e accumularsi all'interno della baia. Questi fattori fisici hanno contribuito a spiegare le dense concentrazioni di alghe all'interno della baia, ma non spiegavano perché queste alghe contenessero così tanto acido domoico.

Successivamente Ryan e i suoi colleghi hanno esaminato la chimica della baia, concentrandosi sulle concentrazioni di due nutrienti chiave:nitrati e silicati. Le diatomee hanno bisogno di nitrati per un'ampia varietà di processi biochimici, compresa la produzione di acido domoico. Hanno bisogno di silicato per crescere e riprodursi.

I ricercatori MBARI hanno misurato nitrati e silicati nella baia di Monterey quasi ogni mese negli ultimi 24 anni. Esaminando questo set di dati unico, Ryan ha scoperto che, in normali condizioni primaverili nella baia di Monterey, il silicato è più abbondante del nitrato. Però, nei mesi precedenti e durante la fioritura primaverile 2015, c'erano più nitrati che silicati nelle acque della baia. Infatti, al culmine del Pseudo-nitzschia fiorire a maggio, non c'era praticamente più silicato nell'acqua (presumibilmente le diatomee lo avevano consumato tutto), ma rimaneva ancora un po' di nitrato.

Passando alla letteratura scientifica, i ricercatori hanno trovato studi di laboratorio e sul campo che dimostrano che Pseudo-nitzschia le diatomee possono diventare più tossiche se esauriscono il silicato ma hanno ancora nitrati disponibili. In queste condizioni, le diatomee non possono riprodursi rapidamente, ma possono ancora produrre acido domoico. Le diatomee si riproducono dividendo a metà, quindi qualsiasi acido domoico in una cellula madre è diviso tra le due cellule figlie. Ma quando bassi rapporti tra silicato e nitrato determinano una riproduzione meno frequente, l'acido domoico può concentrarsi all'interno delle singole diatomee.

I ricercatori hanno concluso che le popolazioni straordinariamente alte di Pseudo-nitzschia nel 2015 erano legati alla forza e alla tempistica degli eventi di upwelling. Ma le concentrazioni estremamente elevate di acido domoico sono state probabilmente causate da un'insolita chimica oceanica, in particolare da un basso rapporto tra silicato e nitrato nelle acque della baia.

Poiché l'insolita chimica delle acque della baia ha coinciso con il riscaldamento su larga scala del Pacifico nord-orientale, i ricercatori sospettano che possa esserci un collegamento tra i due fenomeni. Tuttavia, non hanno abbastanza dati sulla chimica degli oceani al di fuori della baia di Monterey per approfondire questa connessione.

Riflettendo sul recente documento, Ryan ha detto, "Uno dei risultati di questa ricerca è che abbiamo bisogno di buoni dati chimici e fisici per comprendere e prevedere le fioriture algali dannose. In questo caso, il silicato nutriente sembrava essere il fattore chiave. Però, altri nutrienti, come l'urea (nelle acque reflue), può anche influenzare la tossicità di queste alghe. Non vediamo l'ora di applicare le nostre nuove tecnologie per il monitoraggio biologico, fisico, e condizioni chimiche nell'oceano costiero. Questo ci aiuterà a capire ed eventualmente prevedere quando e dove è probabile che si verifichino fioriture algali dannose".