Miestna správa webových stránok o potravinách zvyšuje odolnosť a nárazníky proti účinkom globálnych zmien na sladké vody vedecké správy

Miestna správa webových stránok o potravinách zvyšuje odolnosť a nárazníky proti účinkom globálnych zmien na sladké vody vedecké správy

Anonim

predmety

  • Ekológia zmeny klímy
  • Ekológia ekosystémov
  • Ekosystémové služby

abstraktné

Hlavnou výzvou pre ekologický výskum je nájsť spôsoby, ako zlepšiť odolnosť voči zmenám vyvolaným podnebím s cieľom zabezpečiť ekosystémové funkcie prírodných systémov, ako aj ekosystémové služby pre blaho ľudí. Pokiaľ ide o vodné ekosystémy, interakcie medzi otepľovaním klímy a zvýšeným odtokom humínových látok (hnednutie) môžu výrazne ovplyvniť funkcie a služby ekosystému. Doteraz nám však chýbajú adaptívne nástroje riadenia potrebné na vyrovnanie sa s takýmto účinkom v globálnom meradle na sladkovodné ekosystémy. Tu uvádzame experimentálne aj pomocou monitorovacích údajov, že predpovedané klimatické otepľovanie a hnednutie zníži kvalitu sladkej vody zhoršením rastu cyanobaktérií a hladín toxínov. Okrem toho v modeli založenom na dlhodobých údajoch z prírodného systému demonštrujeme, že správa potravinového webu má potenciál zvýšiť odolnosť sladkovodných systémov proti rastu škodlivých cyanobaktérií, a preto miestne úsilie ponúka príležitosť na zabezpečenie našich vodné zdroje proti niektorým negatívnym vplyvom otepľovania podnebia a hnednutia. To umožňuje nové politické kroky na miestnej úrovni na vyrovnávanie účinkov zmien životného prostredia v globálnom meradle, čím sa poskytuje nárazníkové obdobie a bezpečnejší prevádzkový priestor, kým sa efektívne nezavedú stratégie na zmiernenie zmeny klímy.

úvod

Eutrofizácia vyvolaná človekom bola v posledných desaťročiach jedným z hlavných environmentálnych problémov, ktorým čelia sladkovodné ekosystémy. Zintenzívnenie zaťaženia živinami (fosfor a dusík) často vedie k náhlym zmenám režimu v sladkovodných ekosystémoch, tj zmeny systémov z rôznych stavov čistej vody na zakalené podmienky s častým výskytom toxických kvetov fytoplanktónu (cyanobaktérie) 1, 2 . V súlade s tým eutrofické vodné útvary vo všeobecnosti vykazujú veľké množstvo zooplanktivórnych rýb, čím eliminujú účinné pasienky veľkých tiel, ako je kôrovec Daphnia 1, 2, a vedú k masívnemu rastu rias alebo tzv. Kvetov. Očakáva sa, že účinky eutrofizácie sa v dôsledku klimatického otepľovania zosilnia ďalšou podporou rastu cyanobaktérií, ktoré ovplyvňujú dôležité ekosystémové služby, ako je zásobovanie pitnou vodou a možnosti rekreácie 3, 4, 5 . Z tohto dôvodu je pravdepodobné, že zmeny klímy v globálnom meradle budú interagovať s miestnymi tlakmi na sladké vody, ako sú zvýšené hladiny živín a predácia rýb v zooplanktóne, a následne ovplyvnia fungovanie ekosystémov a služby 6 .

Okrem toho sa očakáva, že v nasledujúcich desaťročiach dôjde súčasne s globálnym otepľovaním k ďalším zmenám životného prostredia, ktoré pôsobia mimo miestneho rozsahu. Napríklad množstvo humínových látok vo vnútrozemských vodách sa v posledných rokoch dramaticky zvýšilo v miernych a boreálnych oblastiach 7, 8 . Zdá sa, že príčinou tohto „hnednutia“ je kombinácia niekoľkých faktorov vrátane zmeny acidifikácie, otepľovania a zmien spôsobených antropogénnymi zmenami vo využívaní pôdy a hydrologických režimoch 7, 8, 9, 10, 11 . Okrem toho sa očakáva, že zrážky sa v budúcnosti v severných miernych oblastiach zintenzívnia, čím sa zvýši odtok humínových látok a živín do vodných útvarov 11, 12 . Potenciál pre interaktívne účinky (napr. Synergické účinky) medzi týmito rôznymi environmentálnymi poruchami si vyžaduje účinné nástroje prispôsobivého riadenia, ak máme zabezpečiť zásobovanie ľudskej spoločnosti sladkou vodou a funkcie ekosystémov 6, 13, 14 . Súčasné experimentálne údaje 15, 16 ukazujú, že účinky globálnych zmien sú spojené so štruktúrou ekosystémov s potravou. Podľa našich vedomostí však doteraz žiadne štúdie v prírodných systémoch nepreukázali riadenie štruktúry potravinového webu s cieľom zvýšiť odolnosť proti negatívnym účinkom globálnych environmentálnych zmien.

Tu uvádzame experimentálne dôkazy, že synergická interakcia medzi globálnym otepľovaním klímy a hnednutím sladkých vôd silne stimuluje biomasu cyanobaktérií v eutrofických systémoch. Toto zvýšenie biomasy pravdepodobne zvýši množstvo toxínov cyanobaktérií v sladkých vodách, čím sa ohrozí budúce zabezpečenie bezpečných vodných zdrojov. Tiež však demonštrujeme, že manipulácia so štruktúrou potravinovej siete má potenciál znížiť hromadné množenie toxických cyanobaktérií, čo ukazuje, že opatrenia manažmentu v lokálnom meradle môžu poskytnúť dočasné tlmenie účinkov globálnych environmentálnych zmien.

Cyanobaktérie vykazujú silnejšie reakcie na zvýšené teploty ako väčšina fytoplanktónu 17, 18 a preto môže teplejšie podnebie poskytnúť cyanobaktériám optimálne podmienky prostredia pre ich rast. Okrem toho môžu teplé teploty nepriamo zvýšiť stratifikáciu vodných stĺpcov a zvýšiť potopenie konkurentov fytoplanktónu, čo zvýhodňuje vzrastajúce cyanobaktérie v dôsledku produkcie intracelulárnych plynových vezikúl 19 . Rozvrstvenie vodného stĺpca môže tiež vytvoriť hypoxické podmienky na povrchu sedimentu, čo následne prospieva cyanobaktériám zvýšením vnútorného zaťaženia živinami 2 . Hnedenie môže tiež ovplyvniť fytoplanktón (a tým aj cyanobaktérie) buď pozitívne alebo negatívne prostredníctvom komplexných interakčných účinkov s fyzikálnym, chemickým a biologickým prostredím 8 . Jedným z najzávažnejších účinkov je zvýšenie útlmu svetla zvýšeným obsahom humínu z absorpcie slnečného žiarenia 20 . Pretože cyanobaktérie sa vo všeobecnosti lepšie vyrovnávajú s nízkou intenzitou svetla ako väčšina fytoplanktónu 18, môže zvýšená hnedosť zosilniť pozitívne účinky otepľovania na rast cyanobaktérií ich oslobodením od konkurencie, ak sa neprekročí kritický inhibičný prah pre fotosyntetickú aktivitu 8, 21 .

Tu sa používa experimentálny a poľný prístup na testovanie potenciálnych interakcií medzi teplotou a hnednutím, ktoré by mohli ďalej ovplyvniť kvalitu sladkej vody, ktorá sa vyznačuje vývojom cyanobaktérií a prítomnosťou ich toxínov. Osobitne zaujímavá bola reakcia rozšírenej cyanobaktérie Microcystis , o ktorej je známe, že produkuje silné toxíny pre ľudí aj pre ostatné zvieratá 3 . Hepatotoxické mikrocystíny, skupina viac ako 80 variantov cyklických heptapeptidov, patria medzi najbežnejšie toxíny produkované mikrocystisom 3 .

Uskutočnili sa dva experimenty vo vonkajších mezokozmoch, ktoré napodobňovali plytké vodné útvary. Aby sme oddelili účinky podnebia a hnednutia, použili sme faktorový experiment so štyrmi ošetreniami, ďalej uvádzaný ako „krížový experiment“. Ošetrenia zahŕňali súčasné podmienky prostredia, zvýšenie teploty na základe predpovedí Medzivládneho panelu pre zmenu podnebia 12, zvýšenie obsahu humínu na základe trendov pozorovaných v prírodných sladkých vodách 16 a nakoniec ošetrenie založené na budúcom scenári, ktorý zahŕňa predpovedaná kombinácia otepľovania klímy a humínových látok. Aby sme zhodnotili, ako rôzne úrovne kombinovaných premenných klímy a hnednutia pravdepodobne ovplyvnia kvalitu vody, navrhli sme doplnkový experiment, ďalej označovaný ako „gradientový experiment“. V tomto experimente sme vytvorili scenár budúcich zmien zameraných na predpovedanie účinky predpovedaného zvýšenia teploty a humínových látok v časových radoch. S cieľom prepojiť experimenty s prírodnými systémami sme tiež hodnotili údaje o dlhodobom monitorovaní medziročných zmien planktónu, teploty a humínového obsahu (hnednutie) plytkého a eutrofického jazera Ringsjön (južné Švédsko), ktoré bolo adaptívne. riadiace činnosti (biomanipulácia) od roku 2005 prostredníctvom odstraňovania cyprinidných rýb (doplnkový obrázok S1).

Predpovedali sme, že zvýšené teploty by uprednostňovali rast toxických cyanobaktérií pred inými taxónmi fytoplanktónu, najmä kvôli poskytnutiu optimálnych podmienok pre ich rast 18 . Naše štúdie sa zamerali na plytké jazerné ekosystémy, ktoré sú bežnými systémami v prímestských a poľnohospodárskych oblastiach, a preto potenciálne nepriame účinky vyvolané teplotou na rast cyanobaktérií v dôsledku zvýšenej stratifikácie vodného stĺpca sú v porovnaní s hlbokými jazerami menej intenzívne 1 . Okrem toho sme očakávali, že hnednutie posilní pozitívny vzťah medzi teplotou a rastom cyanobaktérií, vzhľadom na nízku až strednú úroveň obsahu humínu v našich študijných systémoch (doplnková tabuľka S1). Predpovedali sme tiež, že odstránenie planktivórnych a bentických krmív pomocou biomanipulácie v jazere Ringsjön by zvýšilo množstvo veľkých bylinožravých zooplanktónov a znížilo by sa uvoľňovanie fosforu zo sedimentov, čím by sa znížilo množstvo živín dostupných pre rast rias vo vodnom stĺpci 2, 22, 23 . Preto sme predpovedali, že miestne potravinové sieťové efekty vytvorené týmto biomanipuláciou by pôsobili proti negatívnym účinkom zvyšovania teploty a hnednutia, a tým obmedzovali rast cyanobaktérií zmenou procesov zhora nadol (pasenie zooplanktónu) a zdola nahor (dostupnosť živín).

Výsledky a diskusia

Naše experimenty ukazujú zvýšenie biomasy cyanobaktérií a toxínov v dôsledku synergií medzi teplotou a hnednutím, čo podporuje predpoklad, že kvalita sladkej vody bude počas života ďalšej generácie ďalej znižovaná 6, 12 . V pokusoch kríženia aj gradientu neboli žiadne úpravy ovplyvnené celkové koncentrácie fosforu ani biomasy fytoplanktónu (chlorofyl a ) (doplnková tabuľka S2). Biomasa mikrocystis (μg L −1 ) a koncentrácie mikrocystínov (ppb) sezónne priemerné hodnoty (a rozsahy) vo všetkých ošetreniach v obidvoch pokusoch boli: krížový experiment: 877 (214–1632) a 1, 92 (0, 49–4, 66); gradientový experiment: 42, 6 (10–74) a 0, 14 (0, 03–0, 30), v uvedenom poradí (hodnoty v jednotlivých doplnkoch sú uvedené v doplnkovej tabuľke S3). V krížovom experimente malo zvýšenie teploty o 3 ° C mierny pozitívny účinok na biomasu mikrocystínu a na hladinu hepatotoxínov (mikrocystíny) (T, obr. La, b), zatiaľ čo samotné hnedenie (B, obr. La, b). Avšak teplotné účinky na koncentrácie mikrocystínu a toxínu boli silne zosilnené, keď boli kombinované s hnedením (TB, obr. La, b; doplnková tabuľka S2). Okrem toho sa v gradientovom experimente hladiny biomasy a toxínov Microcystis výrazne zvýšili iba pri miernych zmenách teploty a hnednutia (zvýšená teplota 2 ° C a 100% zvýšená absorbancia, obr. 1c, d; doplnková tabuľka S2) a dosiahli maximum veľkosť účinku pri 3 ° C a 150% zvýšenie hnednutia. Aj keď by sa extrapolácie nálezov zo štúdií mezokosmu na prírodné systémy mali robiť opatrne 24, tieto výsledky naznačujú, že ani tie stratégie na zmiernenie zmeny klímy, ktoré sú zamerané na dosiahnutie cieľa 2 ° C 12, nebudú dostatočné na zabránenie zhoršenia kvality sladkej vody.

Image

Časové stredné veľkosti účinku (± SE) mikrocystínu a koncentrácie mikrocystínu v pokusoch kríženia ( a, b ) a gradientu ( c, d ). V ( a, b ): T je zvýšená teplota (+3 ° C); B je hnednutie (dvojitá absorbancia pri 420 nm (používa sa ako náhrada pre hnednutie)); a TB je kombináciou oboch faktorov. V ( c, d ): TB1 je +1 ° C a + 50% absorbancia; TB2 je +2 ° C a + 100% absorbancia; TB3 je +3 ° C a + 150% absorbancia; a TB4 je +4 ° C a + 200% absorbancia. Os X sa rovná kontrolnej liečbe a že hodnoty nad alebo pod touto čiarou naznačujú pozitívne alebo negatívne účinky liečby (zahrievanie a / alebo hnednutie), pokiaľ ide o kontrolné podmienky 43 .

Obrázok v plnej veľkosti

Zvýšenie koncentrácií mikrocystínu v obidvoch experimentoch nebolo spôsobené iba zvýšenou biomasou mikrocystínu , ale zvýšil sa aj pomer mikrocystínu k biomase mikrocystínu (doplnková tabuľka S2), čo naznačuje, že každá bunka produkovala viac toxínov alebo že synergická interakcia medzi hnednutím a teplota vybraná pre toxickejšie kmene. Hoci je hodnotenie týchto mechanizmov nad rámec tejto štúdie, naše výsledky ukazujú silnú podporu zvýšeným hladinám toxínov cyanobaktérií v budúcich vodách. Naše skríningové analýzy na toxíny (tj s použitím imunosorbentového testu s naviazaným enzýmom; ELISA) 25 poskytli informácie týkajúce sa potenciálnych účinkov otepľovania a hnednutia na celkový objem mikrocystínov. Podporujeme však ďalší výskum potenciálnych zmien medzi rôznymi kongenérmi mikrocystínov, pretože zmeny teploty môžu meniť bunkovú syntézu rôznych mikrocystínov rôznymi spôsobmi 26, a tieto varianty sa môžu značne líšiť v ich toxicite 27 .

Aby sme preskúmali, či je možné lokálnymi akciami pôsobiť proti zjavným synergickým účinkom otepľovania a hnednutia podnebia, hodnotili sme hladiny cyanobaktérií pred a po biomanipulácii v jazere Ringsjön. Zatiaľ čo celková fytoplanktónová biomasa sa nezmenila (obr. 2a), biomasa dominantného taxónu Microcystis (tvoriaceho až 63% cyanobakteriálnej biomasy) bola napriek biomanipulácii výrazne vyššia (obr. 2b), napriek vyšším sezónnym teplotám (V priemere +0, 5 ° C) počas obdobia po biomanipulácii (doplnkový obrázok S2). V rokoch pred adaptívnym riadiacim úsilím bol kombinovaný vplyv hnednutia a teploty na biomasu Microcystis silný a medzi rokmi sa šesťkrát zmenil (Obr. 3a). Preto výsledky z prírodného ekosystému sú v súlade s našimi experimentálnymi štúdiami, ktoré mechanicky testovali jednotlivé účinky teploty a hnednutia. Je však prekvapujúce, že rovnaká analýza údajov získaných z rokov po biomanipulácii neodhalila žiadne účinky teploty a hnednutia na vývoj biomasy Microcystis (obr. 3b), čo naznačuje, že miestne riadenie potravinovej siete sa vyrovnávalo s týmito environmentálnymi poruchami. Pravdepodobnou príčinou odpojenia zmien biomasy Microcystis od účinkov teplotných a humínových látok v jazere Ringsjön po biomanipulácii bola vyššia biomasa (takmer 50% nárast) veľkého býložravého zooplanktónu ( Daphnia ; obr. 2c). To naznačuje, že zloženie potravinovej siete ovplyvňuje reakcie sladkovodných ekosystémov na kombinované tlaky otepľovania podnebia a hnednutia 15, 16 . Aj keď sa citlivosť Microcystis na pasenie zooplanktónom všeobecne považuje za nízku, nedávne štúdie zaznamenali relatívne vysokú mieru pasenia 28, 29, 30 . Okrem toho boli celkové koncentrácie fosforu po biomanipulácii takmer o 40% nižšie (obr. 2d) a treba poznamenať, že koncentrácia fosforu klesla do jedného roka po začatí úsilia v oblasti biomanipulácie po takmer 10 rokoch neustále sa zvyšujúcich koncentrácií (doplnková schéma č. S2). Hlavnou príčinou poklesu fosforu bolo pravdepodobne odstránenie bentivitovitých rýb a zníženie jeho resuspendovania zo sedimentov do vodného stĺpca 1, 23 .

Image

Porovnanie párov medzi obdobiami pred (1996 - 2004; sivé škatule) a po (2005 - 2014; biele škatule) biomanipuláciou v jazere, ktorá sa začala v roku 2005. Boxploty ukazujú minimálne, prvý kvartil, medián, tretí kvartil a maximálne hodnoty mesačné priemery od apríla do októbra z každého roku a ) celkovej biomasy fytoplanktónu (mg L −1 ), b ) biomasy mikrocystis (mg L −1 ), c ) biomasy dafnia (μg L −1 ) a ( d) ) celkové koncentrácie fosforu (μg L −1 ). Hodnoty P , t-hodnoty a stupne voľnosti sú uvedené pre významné rozdiely (a = 0, 05) na základe Studentovho t-testu (nepárový, jednostranný).

Obrázok v plnej veľkosti

Image

Odpoveď biomasy Microcystis (mg L −1 ) na teplotu (° C) a farbu vody (používa sa ako náhrada hnednutia; mg Pt L −1 ) (a) pred hospodárením (1996 - 2004; n = 9) a ( b) po manažmente (2005 - 2014; n = 10) prostredníctvom biomanipulácie. Povrchové 3D grafy boli vytvorené interpoláciou nespracovaných údajov (mesačné priemery od apríla do októbra z každého roku) s použitím inverzného váženia štvorcov. Model viacnásobnej lineárnej regresie za obdobie predchádzajúce biomanipulácii ( a ) je: Y = −20, 08 + 1, 38 * Temp + 2, 21 * Log Water Color; F 2, 6 = 5, 95, P = 0, 019, R2 = 0, 66, R2 adj = 0, 55. b ) Neexistoval žiadny významný model, ktorý by bolo možné vybrať po biomanipulácii v jazere, tj biomasa mikrocystí sa netýkala zmien teploty ani farby vody.

Obrázok v plnej veľkosti

Predpokladá sa, že priemerné globálne teploty sa v 21. storočí zvýšia o 0, 4 až 4, 8 ° C 12 . Platí to osobitne pre sladkovodné jazerá, ktoré sa v súčasnosti na celom svete otepľujú bezprecedentnou rýchlosťou 31 . Zintenzívni sa tým zníženie dodávok čistej vody v mnohých regiónoch a zvýši sa rýchlosť metabolizmu a spotreba vody na výrobu energie a potravín 12 . Naše výsledky okrem toho predpovedajú ďalšiu degradáciu eutrofických miernych sladkých vôd prostredníctvom zvýšených hladín toxických cyanobaktérií, pretože zvyšovanie teploty v kombinácii s humínovým odtokom prebieha v nasledujúcich desaťročiach. Naše výsledky však tiež identifikujú možnosti lokálne pôsobiť proti týmto trendom v týchto postihnutých systémoch, a tak zlepšujú plánovanie vodohospodárstva proti negatívnym účinkom globálnych environmentálnych zmien 6 .

Úsilie o zabezpečenie našich vodných zdrojov, ich biodiverzity a odolnosti ich ekosystémov proti globálnym zmenám životného prostredia sa objavuje ako základ v schémach prispôsobenia miestnym činnostiam a komunitám 32, 33 . Okrem nevyhnutnosti globálnych opatrení (napr. OSN a Ramsarských dohovorov) pri vývoji účinných stratégií na prispôsobenie sa globálnym zmenám by sa vykonávanie vodnej bezpečnosti malo prispôsobiť miestnym podmienkam a orgánom 32, 33 . Platí to najmä vzhľadom na to, že rôzne regióny na Zemi sa budú výrazne líšiť v citlivosti na globálne zmeny životného prostredia 12 a že miestne a regionálne prostredie by mohlo ovplyvniť implementáciu adaptačných programov. Napríklad, napriek schopnosti cyanobaktérií tolerovať nízku intenzitu svetla 18, hnednutie môže silne potlačiť primárnu produkciu kvôli obmedzeniu svetla po prekročení kritického prahu 8, 21 . Z tohto dôvodu je pravdepodobné, že zosilňujúce účinky hnednutia v kombinácii so zahrievaním na rast cyanobaktérií sa vyskytujú v eutrofických systémoch s nízkymi až strednými vstupmi organického uhlíka 8, 34 ; v dôsledku toho je pravdepodobné, že k tomu dôjde v povodiach so zalesnenou krajinnou pokrývkou a vysokou hladinou živín v dôsledku poľnohospodárstva a / alebo urbanizácie, napríklad v našom študijnom jazere (Lake Ringsjön) 35 . Zníženie kvality vody v menej humických systémoch v dôsledku vysokej úrovne toxínov cyanobaktérií však môže dramaticky ohroziť dodávku dostupných zdrojov čistej vody pre mnoho miestnych spoločenstiev, najmä preto, že humínové jazerá nie sú vhodné na pitie, vzhľadom na vysoké náklady na odstránenie humínové látky. Okrem toho, hoci sa biomanipulácia osvedčila v mnohých systémoch 22, 36, výsledok je ovplyvnený trofickým stavom jazera 37 a zdá sa, že pravdepodobnosť úspechu sa zvyšuje v geografických regiónoch vo vyšších zemepisných šírkach. Napríklad diverzita rýb, všežravosť a hustota sú spravidla vyššie v trópoch v porovnaní s miernymi systémami, ktoré zvyšujú kontrolu zhora nadol v zooplanktóne 38 . Reprodukcia rýb sa navyše vyskytuje počas celého roka v teplejšom podnebí, čo bráni účinnosti biomanipulácií pri kontrole náboru mladých rýb z roku 38 . Preto, na rozdiel od miernych jazier, bude potenciál biomanipulácie na zabránenie negatívnym účinkom globálnych zmien životného prostredia v tropických regiónoch do veľkej miery závisieť od našej schopnosti zlepšovať súčasné metódy kontroly predácie rýb.

Na záver, naša štúdia identifikuje silné empirické spojenie medzi predpokladanými zmenami otepľovania podnebia a obsahom humínu a výskytom toxických kvetov siníc, ktoré sú celosvetovými hrozbami pre kvalitu budúcich vodných zdrojov, ako aj biodiverzitu a ekosystémovú funkciu sladkej vody. systémy 3, 4, 5 . Silné interakcie medzi environmentálnymi faktormi, ako sú teplota, humínové látky a živiny, sa považujú za zásadné pre tvorbu kvetu rôznymi taxónmi cyanobaktérií, vrátane rozšírených a toxických mikrocystov 39, 40, 41 . Boj proti otepľovaniu klímy a jeho možné interakcie s inými environmentálnymi stresovými faktormi si bude vyžadovať určitý čas na implementáciu v globálnom meradle, a to tak s ohľadom na politické rozhodovanie, ako aj na vykonávanie riešení na zmiernenie. Medzitým sú naliehavo potrebné adaptívne hospodárenie, aby sa zabezpečila funkčnosť ekosystému a kvalita prírodných zdrojov 13, 14 . Poskytujeme silné empirické dôkazy o tom, že správa potravinového webu je sľubným nástrojom na zlepšenie odolnosti ekosystémov voči škodlivým cyanobaktériám. Pokiaľ je nám známe, žiadna predchádzajúca štúdia nehodnotila interaktívne účinky biomanipulácií s globálnymi environmentálnymi zmenami - ani s otepľovaním, ani s hnednutím. Integrácia takýchto opatrení na miestnej úrovni do systémov prispôsobenia sa zmene klímy má potenciál poskytnúť dočasný nárazník, kým sa efektívne nezavedú riešenia na zníženie emisií skleníkových plynov v celosvetovom meradle.

Materiál a metódy

Mesocosm experimenty

Nastavenie a údržba

Dva dlhodobé mezokosmové experimenty, „krížový experiment“ a „gradientový experiment“, sa uskutočnili od apríla do septembra 2011 a od apríla do októbra 2013. Pokusy pozostávali z 24 a 20 izolovaných valcových polyetylénových škatúľ (priemer: 0, 7 m; výška: 1 m; objem: 400 l), ktoré boli umiestnené vonku (otvorené do atmosféry) a na zemi na Lund University (55 °) 42 's. Š. 13 ° 12' vd). Krížový experiment pozostával zo štyroch experimentálnych ošetrení (n = 6, náhodne priradených k rôznym ošetreniam) vrátane: okolitých podmienok prostredia (C), zahrievania 3 ° C nad okolitú teplotu (T), zdvojnásobenia humínových látok nad okolité prostredie podmienky (B) a reprezentácia budúcich podmienok prostredia spolu so zvýšením teploty a humínových látok (TB). V gradientovom experimente bolo päť ošetrení (n = 4) zamerané na postupné zvýšenie teploty a hnednutia z okolitých podmienok (ošetrenie C) na TB1, +1 ° C a +50% humínových látok; TB2, +2 ° C a + 100%; TB3, +3 ° C a + 150%; a nakoniec TB4, +4 ° C a + 200% humínových látok. Tieto klimatické podmienky nasledovali teplotné projekcie z IPCC 12 a historické trendy hnednutia južných švédskych jazier 16 . Naše štúdie sa zameriavajú na plytké jazerné ekosystémy, ktoré sú bežnými systémami v mestských a poľnohospodárskych oblastiach, a nezohľadňujú procesy stratifikácie, ktoré sa vyskytujú v hlbokých jazerách.

Na začatie experimentov sme dali jazerný sediment zozbieraný z jazera Krankesjön (55 ° 42 ′ s. Š., 13 ° 27 ′ vd) na spodok mezokozmov po predchádzajúcej homogenizácii všetkého zozbieraného sedimentu. Sediment sa zozbieral v hĺbke 1 m pomocou ručných sietí a transportoval sa v tmavých plastových boxoch do experimentálnych zariadení do dvoch hodín od odberu vzoriek. Potom sme sediment zakryli 400 I nefiltrovanej vody z jazera. Jazero Krankesjön je plytké eutrofické jazero (priemerná hĺbka: 1, 5 m) v povodí, ktorému dominuje poľnohospodárstvo s niektorými lesmi, a má relatívne nízku farbu vody a celkové koncentrácie organického uhlíka v porovnaní s humínnymi jazerami (doplnková tabuľka S1). Do každého výbehu sa pridali dve juvenilné ryby planktivného druhu Perca fluviatilis a Carassius carassius (približná dĺžka a hmotnosť; 50 mm a 5 g), ktoré sa vyskytujú v plytkých eutrofických jazerách, aby sa zachovala vysoká predácia rýb na zooplanktóne. Teplota bola riadená počítačovým systémom, ktorý okamžite reguloval teplotu z vyhrievaných priestorov v porovnaní s teplotou v ovládacích prvkoch pomocou snímačov teploty a ohrievačov v reálnom čase (Jäger 150 W). Preto sa denné a sezónne zmeny teploty okolia v kontrolných ošetreniach odrážali pri špecifikovaných zvýšených teplotách v zahrievaných ošetreniach 16 . Aby sa zabránilo teplotným rozdielom v mezokozmoch, v malej trubici z plexiskla, v ktorej bol ohrievač namontovaný na jednej strane každého mezokozmu, bol vyvolaný mierny prietok vzduchu. Na zvýšenie obsahu humínových látok pri krížovom experimente s hnedením sa použilo 80 I 20 μm filtrovanej jazernej vody z jazera Liasjön (56 ° 26 ′ s. Š., 13 ° 59 ′ vd), čo je humínové jazero v zalesnenom povodí s vysokou farba vody a celkové koncentrácie organického uhlíka (doplnková tabuľka S1). Vzhľadom na silu vzťahu medzi koncentráciou rozpusteného organického uhlíka a farbou vody na základe meraní absorbancie pri 420 nm 42 boli naše experimentálne úpravy vytvorené pomocou farby vody ako náhrady pre hnednutie. Výsledkom bolo, že pridanie vody z jazera Liasjön do našich ošetrení hnedou cestou (B a TB) viedlo v priemere k 81% zvýšeniu absorbancie pri 420 nm v porovnaní s kontrolnými podmienkami. Pretože pri gradientovom experimente bolo potrebné silnejšie zvýšenie absorbancie, použili sme tu komerčne dostupné humínové a fulvové kyseliny (HuminFeed®, Humintech, Nemecko), ktoré tvoria hlavné frakcie prírodnej humínovej hmoty v pôde a sladkých vodách. Analýza vzťahu medzi množstvom komerčných humínových látok a absorbanciou pri 420 nm bola použitá na vytvorenie zásobného roztoku v destilovanej vode (1 g L- 1 ), z ktorého bol ku každému ošetreniu pridaný špecifický objem v rozmedzí od 0, 4 L (TB1) do 1, 5 I (TB4). Aj keď cieľom bolo vytvoriť gradient od 0 do 200% zvýšenie (pozri vyššie), realizovaný gradient dosiahol 35%, 79%, 102% a 136% zvýšenie absorbancie pri ošetrení TB1 k TB4 v porovnaní s C liečbu. Zvýšenie absorbancie sa udržiavalo týždenne pridaním buď 20 μm filtrovanej humínovej vody z jazera Liasjön (krížový experiment) alebo roztoku humínovej látky (gradientový experiment) na základe týždenných meraní absorbancie pri 420 nm. Okrem toho sa týždenne pridávala destilovaná voda, aby sa kompenzovali straty z odparovania, a steny nádob sa umývali, aby sa minimalizoval rast perifytických rias. Riasy, ktoré boli odstránené, sa nechali potopiť a usadiť sa, aby sa recyklovali živiny, a tým sa udržala celková hladina živín podobná vo všetkých ohradách. Aby sa predišlo obmedzeniu živín v uzavretých priestoroch, do všetkých priestorov v obidvoch pokusoch sa každé dva týždne pridával 1 ml komerčne dostupných rastlinných živín (Blomstra växtnäring, Cederroth, Upplands Visby, Švédsko).

Odber a analýza vzoriek

Vzorky sa odoberali každý druhý týždeň z povrchu do 0, 1 m nad dnom pomocou skúmavky z plexiskla (dĺžka: 1 m; priemer: 70 mm). Odobrali sa tri vzorky s priemerom každého mezokozmu a zhromaždili sa (10 1). Potom sa odobrali vzorky pre počet fytoplanktónov, chlorofyl- a , cyanotoxíny (mikrocystíny), farbu vody a analýzu živín. Podskupiny fytoplanktónu sa okamžite uchovávali v Lugolovom roztoku a skladovali sa pri 4 ° C. Cyanobaktérie boli počítané a stanovené na úroveň rodu pomocou tubulárnych komôr a obráteného mikroskopu (Olympus IX53) 40 . Celkové koncentrácie chlorofylu- a sa merali fluorometrom (AlgaeLabAnalyser, ALA, bbe moldaenke, Nemecko) do jednej hodiny od odberu vzorky. Podskupiny mikrocystínov boli ihneď odobraté pri -20 ° C ihneď po odbere vzoriek a analyzované ako ekvivalenty variantného mikrocystínu-LR, s použitím imunosorbentového testu spojeného s enzýmami (ELISA) 40 . Farba vody sa merala ako absorbancia pri 420 nm na spektrofotometri (Beckman DU800 Coulter), po filtrácii cez filter zo sklenených mikrovlákien (stupeň GF / C, Whatman TF ). Nakoniec bol celkový fosfor analyzovaný ako rozpustný reaktívny fosfor po štiepení persíranom draselným.

Analýza údajov

Analýza variantov obojsmerných opakovaných meraní (RM-ANOVA), s časom a ošetrením zahrievaním a hnednutím ako faktormi, sa použila na analýzu účinkov ošetrenia počas experimentu na celkové koncentrácie fosforu, celkovú biomasu fytoplanktónu, biomasu Microcystis a koncentrácie mikrocystínu., Dunnettov viacnásobné porovnávacie post hoc sa použilo na identifikáciu významných rozdielov medzi liečbami. Použili sme tiež priemerné veľkosti časových účinkov (± SE) vypočítané z každej príležitosti odoberania vzoriek na znázornenie štandardizovaných reakcií pri liečení krížením a gradientom experimentov pre rast mikrocystis a koncentrácií ich hepatotoxínov (mikrocystínov) 43 . Štatistické analýzy sa uskutočňovali s SPSS 21 pre počítače Macintosh a grafy sa vytvorili pomocou programu GraphPad Prism.

Terénne štúdium

Jazero Ringsjön (55 ° 53 ′ s. Š., 13 ° 28 ′ vd) je plytké eutrofické jazero s rozlohou 40 km 2 . Jazero sa nachádza v povodí pozostávajúcom zo 40% lesov a ornej pôdy každých 35 a má nízke celkové koncentrácie organického uhlíka a farbu vody v porovnaní s humínnymi jazerami (doplnková tabuľka S1). Jazero sa využíva ako nádrž na pitnú vodu a na rekreačné účely. Od roku 1980 jazero Ringsjön zaznamenalo priemerné otepľovanie okolo 0, 8 ° C priemernej teploty vody a zdvojnásobenie koncentrácie humínových látok 16 . Jazero sa v 70. rokoch stalo eutrofickým a v 80. rokoch sa zaviedol program na kontrolu obsahu živín, ktorý znížil vonkajšie zaťaženie fosforom z 30 ton na 5–10 ton ročne. Na ďalšie zlepšenie kvality vody sa v roku 2005 začal program „biomanipulácie“, v rámci ktorého boli odstránené planktivorózne (plotice, Rutilus rutilus a malé ostrieža, Perca fluviatilis ) a bentické ryby (pražma, Abramis brama ) (doplnkový obrázok č. S1).

Odber a analýza vzoriek

Denné merania teploty vzduchu vykonávané meteorologickou stanicou Švédskeho meteorologického a hydrologického ústavu (SHMI) (55 ° 69 ′ s. Š., 13 ° 22 ′ vd) boli použité ako náhrada za klimatické otepľovanie v jazere Ringsjön. Jazero sa skladá z troch spojených povodí; v západnom povodí (priemerná hĺbka: 3, 1 m; maximálna hĺbka: 5, 4 m), farba vody (humínové látky), celkový fosfor a štruktúra spoločenstva fytoplanktónu a zooplanktónu sa monitorujú od roku 1996. Vzorky sa odoberali mesačne od apríla do apríla. Každý rok v októbri na mieste maximálnej hĺbky vody v jazere. Odobrala sa integrovaná vzorka (10 - 30 1) vodného stĺpca so vzorkom z plexiskla, z ktorého sa odobrali podvzorky na analýzu fytoplanktónu, celkového množstva fosforu a vody. The remaining water was filtered through a 50-μm mesh to collect the zooplankton, which we stored in 100 mL bottles. Phytoplankton and zooplankton samples were immediately preserved in Lugol's solution and stored at 4 °C after sampling. Phytoplankton (including cyanobacteria) were counted to genus level and their biomass determined using tubular chambers and an inverted microscope (Olympus IX 53), according to the methods detailed in the mesocosm experiments (above). Large zooplankton ( Daphnia spp.) were counted to genus level using a stereoscopic microscope (Olympus SZX7) at ×20 magnification and their biomass was estimated using length–weight regressions 29 . Because monitoring of dissolved organic carbon concentrations or water color based on absorbance measurements (abs 420 nm) were not available for the entire study period (1996–2014), we used water colour measurements by using a standard PtCl 6 −2 solution 44 . Total phosphorus was analysed as soluble reactive phosphorus after digestion with potassium persulphate.

Analýza údajov

Student's t-tests were used to explore the effects of biomanipulation on the phytoplankton community structure, that is, on the biomasses of total phytoplankton and Microcystis . This was done by comparing the years before (1996–2004; n = 9) and after (2005–2014, n = 10) the biomanipulation, using seasonal means that were derived from the monthly values (April–October). In addition, we compared the effects of the biomanipulation through Student's t-tests (before and after) on potentially explanatory variables that may have affected cyanobacterial growth, that is, Daphnia spp. (large-bodied herbivores) biomass and total phosphorous concentrations. Next, we used multiple linear regression analyses to explore the relationships between the biomasses of Microcystis (as dependent variable) and the temperature and brownification (as predictor variables), for the periods before and after the biomanipulation (separately). Further, we produced surface 3D plots for the two periods to represent the development of the Microcystis biomass as a function of the temperature and water colour. All variables were log transformed before statistical analysis, except for the Microcystis biomass and temperature. Statistical analyses were performed with SPSS 21 for Macintosh.

Ďalšie informácie

How to cite this article : Urrutia-Cordero, P. et al . Local food web management increases resilience and buffers against global change effects on freshwaters. Sci. Rep. 6, 29542; doi: 10.1038/srep29542 (2016).

Doplnková informácia

Súbory PDF

  1. 1.

    Doplnková informácia

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.