Laboratori robotici sul fondo del lago Erie hanno rivelato che i sedimenti fangosi rilasciano nelle acque circostanti quasi la stessa quantità di fosforo nutriente che entra nel bacino centrale del lago ogni anno dai fiumi e dai loro affluenti.

Eccessivo fosforo, in gran parte da fonti agricole, contribuisce alla fioritura estiva annuale dei cianobatteri che affligge il bacino occidentale del lago Erie e la "zona morta" annuale del bacino centrale, "una regione affamata di ossigeno che ricopre diverse migliaia di miglia quadrate del fondo del lago e che riduce l'habitat per i pesci e altri organismi.

Il rilascio di fosforo dai sedimenti del Lago Erie durante i periodi di scarso ossigeno, un fenomeno noto come autofecondazione o caricamento interno, è stato riconosciuto fin dagli anni '70. Ma il nuovo studio condotto dall'Università del Michigan segna la prima volta che il processo è stato monitorato passo dopo passo per un'intera stagione utilizzando sensori sul fondo del lago.

Gli autori del nuovo studio, pubblicato online il 18 febbraio sulla rivista Scienze e tecnologie ambientali Acqua , diciamo che l'autofecondazione sta probabilmente aumentando la gravità della zona morta del bacino centrale del lago Erie e potrebbe rendere più difficile il controllo in futuro, mentre il clima continua a scaldarsi.

"Fino ad ora, mancavano prove per individuare quando e dove questo fenomeno si verifica nel lago Erie e quanto contribuisce ai nutrienti nel lago, ", ha affermato l'autrice principale dello studio Hanna Anderson, un tecnico di ricerca presso il Cooperative Institute for Great Lakes Research di U-M che ha svolto il lavoro per una tesi di master presso la School for Environment and Sustainability.

"Queste nuove misurazioni ci hanno permesso di stimare che questo processo di autofecondazione contribuisca fino a 11, 000 tonnellate di fosforo nell'acqua del lago ogni estate, una quantità prossima al deflusso annuale totale di fosforo dai fiumi e affluenti nella parte centrale del lago, " ha detto Casey Godwin, un assistente ricercatore presso l'istituto e coautore del documento.

Gli sforzi per controllare l'inquinamento dei nutrienti del Lago Erie, o eutrofizzazione, si sono concentrati sulla riduzione della quantità di deflusso ricco di fosforo dalle fattorie e da altre fonti che scorre nel lago dai fiumi e dai loro affluenti. Nel 2016, i governi degli Stati Uniti e del Canada hanno adottato un obiettivo di riduzione del fosforo del 40%.

Gli autori del nuovo Scienze e tecnologie ambientali Acqua studio afferma che è necessario considerare anche l'autofecondazione da parte del fosforo (P) rilasciato dai sedimenti del fondo del lago.

"I responsabili ambientali incaricati della riduzione del carico tributario devono tenere conto delle stime del carico interno quando determinano come bilanciare il carico P totale, " hanno scritto. "Lo storico e persistente carico di P nei sedimenti rappresenta una risposta ritardata del lago all'eutrofizzazione e impedisce la corretta gestione di un sistema quando si considera solo il carico di P esterno".

Oltre a diversi scienziati dell'UM, gli autori del documento includono ricercatori del Laboratorio di ricerca ambientale dei Grandi Laghi della National Oceanic and Atmospheric Administration. Gli scienziati dell'UM e il personale di CIGLR collaborano con NOAA GLERL su una serie di progetti come questo.

I ricercatori hanno schierato due piccoli laboratori autonomi nei siti sul fondo del lago nel bacino centrale del lago Erie, uno a una profondità di 67 piedi e l'altro a una profondità di 79 piedi, alla fine di luglio 2019 e li hanno lasciati lì per più di due mesi.

I laboratori di chimica autonomi, prodotto da SeaBird Scientific e di proprietà dei collaboratori NOAA del team, sono cilindri lunghi 22 pollici e larghi 7 pollici. I laboratori e le loro batterie sono stati collocati all'interno di una struttura protettiva in acciaio che è stata calata dalla poppa di una nave. La gabbia di metallo era attaccata a un peso di 150 libbre e due galleggianti bianchi che la tenevano lontana dal fondo.

Gli analizzatori autonomi sono stati programmati per misurare le concentrazioni di fosforo nell'acqua ogni sei ore. Hanno anche monitorato la temperatura dell'acqua e i livelli di ossigeno disciolto. Sono state effettuate più di 300 misurazioni del fosforo in ciascun sito prima che i dispositivi venissero recuperati all'inizio di ottobre.

Questo set di dati precedentemente irraggiungibile ha prodotto alcuni risultati sorprendenti.

Per esempio, studi precedenti avevano suggerito che i nutrienti iniziano a fuoriuscire dai sedimenti del fondo del lago quando le concentrazioni di ossigeno disciolto nelle acque circostanti scendono a livelli molto bassi, una condizione chiamata ipossia.

Ma i robot chimici hanno dimostrato che il flusso di fosforo non è iniziato durante l'ipossia, anche quando i livelli di ossigeno sono scesi al di sotto del punto in cui i pesci possono sopravvivere.

Anziché, il "flusso P positivo" dai sedimenti è iniziato da 12 a 24 ore dopo che i livelli di ossigeno disciolto nell'acqua di fondo del lago sono scesi a zero, una condizione chiamata anossia. Nei due siti del bacino centrale del Lago Erie, quel periodo iniziava alla fine dell'estate e continuava fino all'inizio di ottobre.

"Entro 24 ore da quando l'ossigeno è andato via completamente, abbiamo registrato un rapido aumento del fosforo nell'acqua, e questo continuò finché la concentrazione sul fondo del lago fu più di cento volte superiore a quella in superficie, ", ha affermato l'autore senior dello studio Thomas Johengen, direttore del Cooperative Institute for Great Lakes Research di UM.

"Le nostre scoperte sui tempi del rilascio di fosforo rispetto ai livelli di ossigeno nell'acqua sono le prime del loro genere per i Grandi Laghi e rappresentano una nuova applicazione di questa tecnologia, "Ha detto Johengen.

Sapendo quando è iniziata la liberazione di fosforo, la velocità di flusso dai sedimenti, e la durata del periodo anossico ha permesso ai ricercatori di stimare la quantità totale di fosforo aggiunta ogni anno al bacino centrale del lago Erie a causa del carico interno.

I ricercatori hanno stimato che i sedimenti del fondo del lago di Erie rilasciano annualmente tra 2, 000 e 11, 500 tonnellate di fosforo. La fascia alta di questa gamma è uguale all'afflusso annuale approssimativo di fosforo al bacino centrale del lago Erie da fiumi e affluenti:10, 000 a 11, 000 tonnellate.

Il fosforo rilasciato è in una forma prontamente disponibile chiamata fosforo reattivo solubile, o SRP, che probabilmente alimenta la crescita delle alghe nel bacino centrale. Quando quelle alghe muoiono e affondano, i batteri decompongono la materia organica e consumano ossigeno nel processo. Il risultato:una regione affamata di ossigeno nelle acque di fondo e vicino al fondo del bacino centrale nota come zona morta.

"Il caricamento interno di fosforo dai sedimenti del fondo del lago può diventare un circuito di feedback positivo:l'ipossia porta al rilascio di P dai sedimenti, che provoca più crescita di alghe, e le alghe morte e morenti consumano l'ossigeno nell'acqua e contribuiscono all'ipossia l'estate successiva, " disse Godwin.

"Questo tipo di feedback è stato visto nei laghi di tutto il mondo, e interagisce con gli sforzi in corso per ridurre i carichi di fosforo dagli affluenti del lago Erie, " Egli ha detto.

Mentre i Grandi Laghi continuano a riscaldarsi negli anni a venire a causa del cambiamento climatico causato dall'uomo, La zona morta del bacino centrale del lago Erie dovrebbe formarsi prima e durare più a lungo ogni anno, con conseguente maggiore apporto di fosforo rilasciato dai sedimenti, secondo gli autori dello studio.

L'attuale studio dimostra il potenziale per l'utilizzo di laboratori robotici per monitorare tali cambiamenti, nonché eventuali cambiamenti che possono verificarsi a causa del ridotto flusso di nutrienti nel lago Erie da fiumi e affluenti, secondo gli autori. Il carico interno dai sedimenti del bacino centrale probabilmente non influisce sulla gravità delle fioriture algali del bacino occidentale del lago Erie, secondo i ricercatori.

"La missione del NOAA nei Grandi Laghi include l'osservazione, comprendere e prevedere eventi significativi come il caricamento interno. Molto spesso, lo sviluppo e l'applicazione di una tecnologia avanzata come questa può confermare un'ipotesi o fornire nuove intuizioni che prima erano impossibili, ", ha affermato il coautore dello studio Steve Ruberg, scienziato senior presso il Great Lakes Environmental Research Laboratory della NOAA.

"Questo importante risultato osservazionale contribuirà alla collaborazione della NOAA con l'Ufficio del Programma Nazionale dei Grandi Laghi dell'EPA nell'ambito dell'Accordo sulla qualità dell'acqua dei Grandi Laghi, migliorare significativamente la nostra comprensione del carico di fosforo della zona ipossica e il conseguente impatto sull'ecosistema del Lago Erie, " ha detto Ruberg.