Ограниченная вместимость
Хорошая новость: даже небольшие ручьи удерживают вымытые нитраты, тем самым снижая риск цветения водорослей в море. Минусы: естественный фильтр выходит из строя, если в воде слишком много нитратов. Исследователи предупреждают, что, например, широкое выращивание сельскохозяйственных культур для производства энергии может привести к чрезмерной нагрузке.
Благословение для сельского хозяйства, проклятие для воды: нитраты. Являясь одним из ключевых ингредиентов искусственных удобрений, он способствовал Зеленой революции, которая сегодня позволяет нам кормить более шести миллиардов человек. Если питательное вещество попадает в реки, озера или океаны, оно там тоже зацветает, но часто с разрушительными последствиями. Биомасса, образованная чрезмерным ростом водорослей, при гниении потребляет кислород и создает мертвые зоны, в которых все живое высыхает, как, например, в Мексиканском заливе.
Зона экстремального дефицита кислорода также формируется на Эльбе летом, что отчасти связано с загрязнением питательными веществами. «Сегодня большая часть нитратов поступает из сельского хозяйства», - объясняет Томас Гаумерт из Центра контроля качества воды на Эльбе в Гамбурге. «Мы видим это на уровне нитратов в речной воде после сильного дождя. Сильный дождь разбавляет все питательные вещества, увеличивается только концентрация нитрата, потому что дождь смывает его с полей в реки».
После вымывания питательные вещества обычно быстро уносятся в воду с более быстрым течением, потому что время контакта с отложениями и живыми существами определяет, сколько питательного вещества будет поглощено и использовано в дальнейшем. А между тем небольшие ручейки, первыми принимающие вымываемую из почвы нитратную селитру, уже могут поглотить значительное ее количество - по крайней мере, при правильных условиях.
В течение трех лет американские исследователи изучали судьбу селитры в 72 небольших ручьях в восьми регионах Северной и Центральной Америки. Но вместо того, чтобы просто измерять концентрации питательных веществ в воде, Патрик Малхолланд из Окриджской национальной лаборатории и его коллеги допустили нитраты, меченные нерадиоактивным изотопом 15N. Эту тяжелую форму азота можно легко отследить в окружающей среде с помощью масс-спектрометрии.
Нитрат недолго остается в воде, по крайней мере, в чистых ручьях: исследователи обнаружили маркер в водорослях и грибах, а также в других частях экосистемы. Таким образом они также смогли отследить, какая часть питательных веществ расщепляется бактериями до элементарного азота: в четверти исследованных водоемов микробы разлагали таким образом почти половину присутствующих нитратов. Этот процесс денитрификации происходит в бескислородных условиях, особенно в донных отложениях - довольно странный сценарий для счастливо журчащих речушек.
Однако емкость этого фильтра ограничена. Хотя удаление нитратов увеличивалось при более высоких концентрациях, чем больше нитратов содержалось в воде, тем ниже их доля, которая была удалена или сохранена в экосистеме. Тревожное последствие: если загрязнение нитратами в водосборных бассейнах ручьев продолжит расти, загрязнение крупных рек непропорционально увеличится. При превышении определенной концентрации питательные вещества удаляются очень неэффективно и вместо этого смываются в море.
Компьютерное моделирование полной сети водных путей, основанное на данных измерений, подтвердило это наблюдение: чем выше поступление нитратов, тем большее количество биогенных веществ может быть расщеплено только в крупных реках - с известным последствия эвтрофикации и недостатка кислорода.
Результаты также подчеркивают, насколько вмешательство человека наносит ущерб этой естественной способности водоемов к самоочищению. Спрямленные и укрепленные берега увеличивают скорость течения и, таким образом, ускоряют движение вниз по реке к морю. Многочисленные более ранние исследования уже показали, что полуестественные ручьи с богато структурированной средой обитания и, соответственно, разнообразными сообществами лучше справляются с поступлением питательных веществ, чем каналы, деградировавшие до канализационных каналов.
В настоящее время во всем мире осваиваются новые площади для производства биотоплива. Исследователи предупреждают, что необходимое использование удобрений может распространиться по всей системе и доставить дополнительные нитраты в прибрежные воды и эстуарии, что приведет к непредвиденным последствиям для уже сильно поврежденных морских экосистем.