Кораллы гибнут из-за органических загрязнений

Елена Наймарк

Аннотация. В серии экспериментов, проведенных на кораллах Большого Барьерного pифа, был выявлен триггерный механизм, запускающий гибель кораллов. Ни толстый слой осадка, ни дефицит кислорода, ни подкисление среды сами по себе не вызывают смерти рифостроителей. Их отмирание начинается при увеличении содержания органики в воде и в осадке, а посредником этих процессов являются микробы. Богатая органикой среда служит прекрасной базой для их бурного роста, в результате снижаются содержание кислорода и рН среды. Это сочетание смертельно для кораллов. Ускорение сульфатредукции, использующей в качестве субстрата мертвые ткани, только ускоряет гибель кораллов.

Известно, что гибели кораллового рифа сопутствует ряд взаимосвязанных факторов.

Например, логичной представляется такая схема: заиливание влечет снижение освещенности, отсюда прекращение фотосинтеза и гибель симбионтов, это вызывает кислородное голодание коралла, повышение количества сероводорода, снижающее рН среды; в результате коралл погибает. В случае такой схемы триггером становится усиленное осаждение минерального осадка. Но можно предположить и ряд других, не менее разумных схем, в которых ключевым станет гибель симбионтов (см.: Кораллы обесцвечиваются из-за утраты взаимопонимания, «Элементы», 29.01.2009) или сероводородное заражение. Так или иначе, в продуманном эксперименте все эти схемы проверяемы, все процессы — количество кислорода, сероводорода, освещение, рН среды, активность фотосинтеза зооксантелл (коралловых симбиотических водорослей) и активность сульфатредукции — можно проконтролировать соответствующими датчиками.

Но кроме того, ученые варьировали еще один важный фактор — количество органики в воде. В прибрежных антропогенных зонах содержание органики в воде исключительно высоко и может оказаться фактором, решительно влияющим на жизнь кораллов. Собственно, именно так и считали исследователи, подготавливая эксперименты. Поэтому все опыты проводились четыре раза, каждый раз с новыми концентрациями органического вещества в воде и в осадке. В качестве органики добавляли мертвые клетки планктона.

Итак, во дворе Института морской биологии расположили несколько рядов глубоких аквариумов с циркулирующей морской водой, туда посадили кораллы, к которым прикрепили кучу оборудования. После периода адаптации в воду вылили суспензию морского мелкозернистого осадка (взяли со дна в местах обитания кораллов), подождали, пока он осядет, подсадили контрольные фрагменты кораллов и стали следить за динамикой показателей, отслеживаемых микросенсорами.

Оказалось, что органика и вправду сильно влияет на выживание кораллов. При низких ее концентрациях гибель кораллов ничтожна, активность симбионтов остается в пределах нормы. Зато повышение концентрации сразу вызывает омертвение тканей; при этом резко снижается содержание кислорода и повышается уровень сероводорода, осадок вокруг коралла подкисляется. Следовательно, повышенная концентрация органики становится главным подозреваемым в деле о гибели кораллов.

Смертность кораллов, покрытых осадком с разным содержанием органики: 0% (это морская вода без добавок, так что там в действительности какая-то органика всё же имеется), 0,06%, 0,3% и 0,6% органических добавок). Смертность выражена в процентах отмершей ткани (A), фотосинтетическая активность симбионтов кораллов (B) выражена в квантовом выходе фотосинтеза — числе молекул СO₂, ассимилированных листом в расчете на каждый поглощенный им квант света (стандартный количественный показатель для этого процесса). Контроль в обоих опытах — это не занесенный осадком образец. Хорошо видно, что при низких показателях органического содержания выживание кораллов не отличается от контроля, а при высоких отличается очень сильно. График из обсуждаемой статьи в PNAS

Но есть еще подозреваемые: нехватка кислорода и сероводород. Ведь они напрямую связаны с заиливанием кораллов. Поэтому в следующем опыте, поместив кораллы в темные герметичные боксы, наполненные азотом, устроили кораллам низкокислородную атмосферу. Как это ни удивительно, но в низкокислородной атмосфере кораллы вполне способны выжить и легко восстановиться после этой вроде бы убийственной процедуры. Их симбионты ничуть не снижают фотосинтетическую активность.

Чтобы нанести кораллу безвозвратный вред в бескислородных условиях, нужно еще и снизить рН хотя бы до нейтральной (нейтральной считается рН7, а рН морской воды — около 8). Сильно ускоряет этот процесс добавление в среду сероводорода: без сероводорода омертвение тканей начинается после суток экспозиции, а в его присутствии — уже через три часа. Авторы при этом подчеркивают, что уровень сероводорода при заиливании начинает повышаться уже после начала омертвения живых тканей. Это значит, что гибель кораллов служит причиной, а не следствием повышения концентрация сероводорода. Активная сульфатредукция, как было показано в специальном исследовании с радиоактивными метками, стартует после начала омертвения тканей и использует в качестве источника серы мертвые ткани коралла. В обычных условиях в стабильном бактериальном окружении естественные антибиотики коралла подавляют рост сульфатредуцирующих бактерий вокруг живой ткани, поэтому сероводородного отравления самих тканей и симбионтов не происходит.

Из этих экспериментов проясняется вполне четкая последовательность событий, приводящих к гибели кораллов. Когда в воде и осадке увеличивается содержание органики, то начинается бурный рост бактериальной микрофлоры. При этом тратится весь кислород в окружающем кораллы микропространстве, а взамен выделяются органические кислоты. В результате складываются смертельные для коралла условия и начинается омертвение тканей. На мертвых тканях мгновенно разрастаются сульфатредукторы, и выделение сероводорода ускоряет гибельные процессы — умирают или отбрасываются фотосинтетические симбионты. Само по себе заиливание не вредит кораллу, нужны микробы и пища для них. Не случайно добавление в воду антибиотика тетрациклина останавливает отмирание кораллов (см.: Hodgson G. Tetracycline reduces sedimentation damage to corals // Mar Biol. 1990. V. 104. P. 493–496).

Таким образом, коралловые рифы будут благоденствовать там, где нет антропогенной или другой по природе эвтрофикации прибрежных вод. Нужно отметить, что увеличение температуры воды, способствующее росту микрофлоры, в соответствии с этой схемой также неизбежно вызовет ускорение отмирания кораллов. Красивые рифы в традиционных зонах отдыха, видимо, обречены.

Источник: Miriam Weber, Dirk de Beer, Christian Lott, Lubos Polerecky, Katharina Kohls, Raeid M. M. Abed, Timothy G. Ferdelman, Katharina E. Fabricius. Mechanisms of damage to corals exposed to sedimentation // PNAS. Published online before print May 21, 2012.
http://elementy.ru/news/431837

Действительно, историческая реконструкция показывает, что на Большом Барьерном рифе первый коллапс кораллов случился до начала заметного потепления, в 1920-х гг., и вызван был интенсификацией с/х, когда в океан стало попадать больше органических загрязнений, а также нитратов с фосфатами.
«Австралийские сельскохозяйственные стоки, богатые питательными веществами, приводят к гибели коралловых популяций Большого барьерного рифа вот уже 90 лет.

Джон Пандольфи из Квинслендского университета (Австралия) и его коллеги пришли к выводу, что первый коллапс кораллов случился вовсе не в 1980-х годах, а между 1920-ми и 1950-ми — то есть ещё до изменения климата.

Один из представителей рода Acropora (фото Andy Collins / NOAA).

Учёные получили керны трёх рифов (глубиной 2–5 м) близ острова Пелорус и попытались выяснить, когда там погибли кораллы. На протяжении тысячелетий в тех местах обитали кораллы Acropora, достигавшие 5 м в высоту и 20 м в диаметре. Они создавали целые лабиринты, полные закоулков, в которых находила пристанище разнообразная морская живность. Но примерно с 1920 по 1955 год два рифа практически исчезли, а третий с тех пор колонизовал другой род кораллов — Pavona, низкорослый и тощий. Это негативно отразилось не только на биоразнообразии Большого барьерного рифа, но и на прибрежных экосистемах, ибо Acropora защищали последние от сильных волн.

Причина катастрофы в том, что в 1860-х годах европейские поселенцы начали вырубать квинслендские леса, на месте которых возникали овечьи пастбища и плантации сахарного тростника. К 1920–30-м гг. сельское хозяйство на берегах рек, текущих в сторону рифа, стало настолько интенсивным, что объём стоков, несущих с собой удобрения и пестициды, вырос в 20 раз.

Кораллы гибнут не от этого, а в результате, к примеру, циклонов, но большое количество питательных веществ в воде позволяет водорослям быстро занимать освободившееся место, и кораллы просто не успевают восстановиться.

Постоянный мониторинг состояния рифов начался только в 1980-х гг., и на тот момент кораллы пришли в окончательный упадок уже из-за изменения климата и нашествия любителей дайвинга. Аграрные стоки тоже никто не отменял, они остаются проблемой по сей день.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B.

Подготовлено по материалам LiveScience и NewScientist«.

Дмитрий Целиков. Человек вызвал коллапс Большого Барьерного рифа до глобального потепления.

Сейчас интенсификация с/х добралась до всех рек тропической области…

Другая проблема кораллов — растущая концентрация углекислоты в воздухе и следующее отсюда подкисление воды. «Если нынешняя тенденция роста выбросов двуокиси углерода сохранится, то к 2100 году погибнет последний коралловый риф. Единственный способ сохранить ту химическую среду, которая позволяет им существовать, — это сократить выбросы как можно скорее и сильнее. Возможно, придётся также активно удалять углекислый газ из атмосферы путём массовой посадки деревьев или с помощью специальных насосов.

Рифы открытого моря уже страдают от подкисления и потепления воды, а также перелова и загрязнения прибрежных районов. Углеродные выбросы снизили pH воды на 0,1, из-за чего коралловые полипы уже не могут с прежним успехом наращивать свои известковые скелеты. С другой стороны, геологическая летопись свидетельствует о том, что в древности подкисление океана, хотя и сопровождалось массовым падежом, но не приводило к исчезновению кораллов.

Коралл из рода Porites (фото Louis Wray / Creative Commons).

Сотрудники Института Карнеги (США) проанализировали результаты компьютерного моделирования, выполненного 13 группами из разных стран и посвящённого взаимодействию океана с атмосферой при увеличении концентрации углекислого газа в воздухе. Эта так называемая активная биогеохимия ранее обычно упускалась из виду при моделировании климата планеты.

Коралловые полипы остро нуждаются в арагоните — разновидности карбоната кальция. Когда концентрация двуокиси углерода в воде повышается (океан поглощает углекислый газ из атмосферы), доступность карбоната кальция снижается. Нормальный показатель концентрации арагонита в воде — 3−3,5.

Не существует точного правила, позволяющего связать эту цифру с состоянием здоровья рифов. Но, судя по палеоклиматическим данным, в доиндустриальную эпоху (то есть до углеродного загрязнения) это число превышало 3,5.

Модели, которые анализировались учёными, были подготовлены для большого доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата, который выходит в следующем году. Исследователи сравнивали результаты моделирования с данными на 6 тыс. рифов, а это две трети их мирового количества.

На конференции Американского геофизического союза, состоявшейся в начале декабря, соавтор Кен Калдейра показал, как углерод, выброшенный в грядущие десятилетия, может отразиться на судьбе кораллов. Если выбросы начнут сокращаться, деревья — высаживаться, насосы — выкачивать, то 77−87% рифов останутся в безопасности, ибо насыщенность воды арагонитом будет превышать отметку 3.

Если же ничего не изменится, все рифы будут окружены водой с содержанием арагонита менее 3. На самом деле нельзя с уверенностью утверждать, что это приведёт к их повсеместному вымиранию, но г-н Калдейра предупреждает, что от подобного эксперимента лучше воздержаться.

Подготовлено по материалам ScienceNOW«.

Дмитрий Целиков. Кораллы будут истреблены к концу века