В морских прибрежных водах становится всё больше мертвых зон

Точками показаны районы развития гипоксии (острой нехватки кислорода в воде). Разным цветом на суше показана нормированная (в процентах) степень воздействия на среду человека — от самой слабой (темно-зеленый цвет) до сильной (красный и фиолетовый). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

При разложении бактериями огромного количества органического вещества, образованного фитопланктоном в ответ на поступление с суши большого количества удобрений, нередко расходуется весь кислород в придонных слоях водной толщи. В результате во многих местах в прибрежных районах океана формируются «мертвые зоны». Число мест, где обнаружены такие зоны, растет экспоненциально, удваиваясь каждые 10 лет.

Грозный признак сильной эвтрофикации — скопления цианобактерий (синезеленых «водорослей») на поверхности Финского залива Балтийского моря. Когда масса отмерших цианобактерий опустится на дно, бактерии, перерабатывающие органическое вещество, израсходуют, возможно, весь имеющийся в окружающей среде кислород. Фото с сайта www.nefco.org

Рост населения Земли и увеличение сельскохозяйственного производства приводят к тому, что с речным стоком в прибрежные районы океана попадает всё больше удобрений. А поскольку фитопланктонным организмам — микроскопическим водорослям и цианобактериям — обычно не хватает биогенных элементов (прежде всего — азота и фосфора), то в ответ на их поступление они реагирует бурной вспышкой численности. Происходит то, что называется «цветением воды»: за счет большого количества фитопланктона вода окрашивается в зеленоватый, желтоватый или синеватый цвет, а у самой поверхности скопления водорослей и цианобактерий образуют причудливые разводы. Питающиеся фитопланктоном животные (например, различные планктонные ракообразные) не могут сдержать его стремительный рост, тем более что массовые, дающие «цветение», виды часто бывают несъедобными и даже ядовитыми. В результате основная масса фитопланктона в пищевых сетях не используется, а просто отмирает и опускается в придонные слои водной толщи, где достается бактериям.

Разлагая органическое вещество отмершего фитопланктона, бактерии используют порой весь имеющийся в окружающей среде кислород. Кроме того, кислород расходуется бактериями на разложение того органического вещества, которое образовалось раньше на суше и в континентальных водоемах, а потом со стоком рек было принесено в море. В результате во многих местах в прибрежных районах океана, там, где нет интенсивного перемешивания водной толщи, около дна образуются зоны гипоксии (недостаточного для большинства аэробов содержания кислорода) и даже аноксии (отсутствия свободного кислорода или содержания его в следовых количествах).

По мере развития в каком-то месте гипоксии в сообществе обитающих там донных организмов происходят определенные перестройки. Некоторые роющие животные (прежде всего разные черви) при малом количестве кислорода выползают на поверхность грунта и становятся легкой добычей для прибрежных рыб, которые, как правило, в течение короткого времени способны переносить незначительную нехватку кислорода. Таким образом хищникам достается даже больше пищи, и продукция рыб может возрасти. Однако эффект этот кратковременный: при дальнейшем снижении содержания кислорода донные животные полностью исчезают. Остаются только бактерии, способные жить в анаэробных условиях. Разные группы их сменяют друг друга, и в конце концов появляются бактерии, живущие за счет разложения органического вещества и реакции восстановления сульфата (который в морской воде всегда имеется). Конечный продукт этой реакции, возможной только в бескислородной среде, — сероводород, вещество, ядовитое для большинства организмов, правда быстро окисляющееся при наличии кислорода.

Образованию таких мертвых зон (часто с сероводородным загрязнением) способствует резкая стратификация водной толщи, отсутствие перемешивания, слабый водообмен с океаном и поступление большого количества органического вещества. Самый крупный аноксический (лишенный кислорода) водоем — это Черное море. Вся жизнь в нём сосредоточена в верхних 100 метрах водной толщи, а далее вплоть до максимальных глубин (2000 м) всё «заражено» сероводородом. Аноксия Черного моря — естественное явление, связанное с особенностями гидрологического режима этого водоема (замкнутость акватории, большая глубина, значительное поступление в поверхностные слои пресной воды, а в глубинные — тяжелой соленой, попадающей через Босфор). Естественные зоны гипоксии встречаются и в других местах, например около западных побережий континентов, где благодаря апвеллингам достигается высокая первичная продукция (продукция фитопланктона), а также в некоторых фьордах.

Схема, показывающая, как, в зависимости от имеющегося в среде кислорода, распределяется в экосистеме доступная организмам энергия (связанная в виде органического вещества). На левой вертикальной оси — доля, достающаяся подвижным хищникам (прежде всего — рыбам), охотящимся у дна, а на правой вертикальной оси — достающаяся бактериям. Чем меньше в среде кислорода, тем меньше энергии доступно хищникам, но тем больше — бактериям. Степень дефицита кислорода нанесена на горизонтальной оси — от нормального содержания (Normoxia) к полному его отсутствию — аноксии (Anoxia), через промежуточное состояние гипоксии (Hypoxia). Стрелки показывают режим возникновения дефицита кислорода: слабый периодический (Mild periodic), слабый сезонный (Mild seasonal), сильный сезонный (Severe seasonal), постоянный (Persistent), развитие сероводородного загрязнения (H₂S). Некоторый подъем доли, попадающей хищникам, в условиях слабой гипоксии связан с тем, что ведущие роющий образ жизни беспозвоночные выползают на поверхность грунта, где кислорода всё же больше. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Тревогу вызывает, однако, то, что в последние десятилетия число «мертвых зон» в разных местах Земного шара быстро растет и они располагаются в прибрежьях на небольшой глубине. Недавно в журнале Science появилась обзорная статья двух исследователей — Роберта Диаза (Robert J. Diaz) из Института морских исследований в Вирджинии (США) и Рутгера Розенберга (Rutger Rosenberg) из Готенбургского университета (Швеция), — которые отметили, что начиная с 1960-х годов число районов с «мертвыми зонами» росло экспоненциально, удваиваясь примерно раз в 10 лет. Сейчас такие зоны отмечены в 400 прибрежных областях, а охватываемая ими площадь превышает 245 тысяч кв. километров. Наиболее далеко процесс зашел в континентальных морях, имеющих ограниченный водообмен с океаном. Таковы, к примеру, значительные участки Балтийского моря, пролива Каттегат, Черного моря (район шельфа в северо-западной части), Мексиканского залива, Восточно-Китайского моря. Признаки гипоксии всё чаще наблюдаются в Бенгальском заливе, в Арабском море и у западного побережья Африки.

«Вечный город» (Варнаси) на берегу Ганга. В священную реку попадают не только удобрения, но и пепел из крематориев, и просто трупы тех людей, кто, согласно правилам, не подлежит кремации. Неудивительно, что в Бенгальском заливе, куда воды Ганга несут огромное количество органического вещества (и биогенные элементы в минеральной форме), начинают образовываться «мертвые зоны». Фото Петра Крылова с сайта www.photosight.ru; воспроизводится на «Элементах» с любезного согласия автора

Сначала гипоксия возникает как временное, до некоторой степени случайное явление, но по мере возрастания первичной продукции прибрежных экосистем и поступления органического вещества с суши она наступает регулярно в определенные сезоны, а потом становится постоянной. Бентос при этом полностью исчезает, а общая продукция (прирост биомассы) животных сильно снижается. Расчеты показывают, что в Балтийском море, к примеру, из-за обширных мертвых зон годовая продукция животных снизилась на 30%, что в абсолютной величине составляет 264 тысячи тонн углерода. При этом доля энергии, достающаяся бактериям, всё время повышается, а достающаяся хищникам снижается.

Случаи улучшения ситуации довольны редки. Так, в северо-западной части Черного моря мертвые зоны стали сокращаться с середины 1990-х годов, что связано с упадком сельскохозяйственного производства в республиках бывшего СССР и, соответственно, уменьшением стока удобрений. В Мексиканском заливе в особо жаркие годы при уменьшении речного стока также сокращаются мертвые зоны. Сильнейшие тайфуны, вызывающие огромные разрушения, для улучшения перемешивания водной толщи оказываются очень полезными — мертвые зоны после тайфунов сокращаются по площади. Авторы обсуждаемой статьи приходят к выводу, что вернуть состояние прибрежных экосистем к уровню, существовавшему до индустриализации, нельзя, но взять под более строгий контроль поступление в прибрежные районы биогенных элементов можно и нужно.

Источник: Robert J. Diaz, Rutger Rosenberg. Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems // Science. 2008. V. 321. P. 926–929.

Алексей Гиляров