I slutet av våren 2015, västkusten i Nordamerika upplevde en av de mest giftiga algblomningarna på rekord. Blomningen påverkade vilda djur, inklusive ansjovis, havsfåglar, och sjölejon, och ledde till att kommersiellt fiske stängdes från Kalifornien till Washington. Forskare lärde sig snabbt att blomningen bestod av kiselalger i släktet Pseudo-nitzschia , men de kunde inte säga varför dessa alger hade blivit så giftiga. Ett nytt papper i Geofysiska forskningsbrev visar att, åtminstone i Monterey Bay, kiselalgerna i denna blomning blev särskilt giftiga på grund av ett ovanligt lågt förhållande mellan silikat och nitrat i buktens vatten.

Några arter av Pseudo-nitzschia kiselalger producerar ett kraftigt neurotoxin som kallas domonsyra, som kan orsaka anfall och död hos däggdjur. Tidigare blomningar av dessa kiselalger 1991 och 1998 sjuka och dödade många sjöfåglar och sjölejon i Monterey Bay. Men forskare försöker fortfarande ta reda på varför vissa Pseudo-nitzschia-blommor är giftigare än andra.

2015 Pseudo-nitzschia blomning sammanföll med ett storskaligt biologi-experiment i Monterey Bay kallat Ecology and Oceanography of Harmful Algal Blooms (ECOHAB). Under detta experiment forskare från MBARI, University of California i Santa Cruz, Moss Landing Marine Laboratories, och National Oceanic and Atmospheric Administration mätte oceanografiska förhållanden samt koncentrationer av Pseudo-nitzschia och domonsyra i hela Monterey Bay.

Under ECOHAB -experimentet forskargruppen skickade undervattensrobotar som kryssade runt bukten. Sensorer ombord på robotfordonen avslöjade extremt höga koncentrationer av giftiga ämnen Pseudo-nitzschia kiselalger som lurar under ytan. Forskarna förankrade också två robotmolekylära biologiska instrument (Environmental Sample Processors, eller ESP) nära den norra och södra änden av bukten. ESP bekräftade att blomningen mestadels bestod av en särskilt giftig art, Pseudo-nitzschia australis, och att dessa kiselalger innehöll ovanligt höga koncentrationer av domoesyra. Resultatet blev en dödlig kombination:täta populationer av särskilt giftiga kiselalger.

John Ryan, en MBARI oceanograf och huvudförfattare till den senaste tidningen, ville veta vilka faktorer som påverkade tillväxten och toxiciteten för blomningen 2015 i Monterey Bay. Arbeta med ECOHAB -teamet, han undersökte de fysiska och kemiska förhållandena fram till blomningen 2015, och jämförde dessa data med förhållanden uppmätta under tidigare år.

Ryan övervägde först möjligheten att ovanligt varma havsvatten kunde ha spelat en roll i blomningen. Från 2014 till 2016 var ytvattnet i nordöstra Stilla havet mycket varmare än vanligt-ett fenomen som fick namnet "varm klump". Men efter att ha jämfört 2015 års förhållanden med historiska data, Ryan fann att vattnet i Monterey Bay inte var ovanligt varmt under blomningen. Varmt vatten påverkade viken före och efter blomningen, men under våren 2015 svalnade vattnet av lokal uppväxt.

Uppväxt uppstår när starka nordvästliga vindar flyttar ytvatten bort från stranden, tillåter kyla, djupt vatten, rik på nitrat, silikat, och andra näringsämnen, att stiga till havsytan. Eftersom dessa näringsämnen fungerar som gödningsmedel för marina alger, uppväxande händelser leder ofta till kiselblommor. Uppväxt är vanligt runt Monterey Bay under våren.

Under våren 2015, en mycket stark uppväxt händelse i slutet av mars inledde Pseudo-nitzschia blomma. Detta följdes av flera mildare händelser som föryngrade kiselalgerpopulationer samtidigt som de drivande algerna kunde bestå och ackumuleras i viken. Dessa fysiska faktorer hjälpte till att förklara de täta koncentrationerna av alger i viken, men de förklarade inte varför dessa alger innehöll så mycket domoesyra.

Därefter tittade Ryan och hans kollegor på viken kemi, med fokus på koncentrationer av två viktiga näringsämnen - nitrat och silikat. Kiselalger behöver nitrat för en mängd olika biokemiska processer, inklusive produktion av domoinsyra. De behöver silikat för att växa och föröka sig.

MBARI -forskare har mätt nitrat och silikat i Monterey Bay nästan varje månad under de senaste 24 åren. Undersöker denna unika datamängd, Ryan fann att under normala vårförhållanden i Monterey Bay, silikat är rikligare än nitrat. Dock, under månaderna fram till och under vårblomningen 2015, det fanns mer nitrat än silikat i vikvattnen. Faktiskt, på toppen av Pseudo-nitzschia blommar i maj, det fanns i princip inget silikat kvar i vattnet (förmodligen hade kiselalgerna konsumerat allt), men lite nitrat återstod.

När det gäller den vetenskapliga litteraturen, forskarna hittade lab- och fältstudier som visar det Pseudo-nitzschia kiselalger kan bli mer giftiga om de tar slut på silikat men ändå har nitrat tillgängligt. Under dessa omständigheter, kiselalgerna kan inte reproducera sig snabbt, men de kan fortfarande producera domoinsyra. Kiselalgerna reproduceras genom att de delas i hälften, så vilken domoesyra som helst i en föräldercell är uppdelad mellan de två dottercellerna. Men när låga förhållanden mellan silikat och nitrat resulterar i mindre frekvent reproduktion, domoesyra kan koncentreras inom enskilda kiselalger.

Forskarna drog slutsatsen att den utomordentligt höga befolkningen av Pseudo-nitzschia under 2015 var relaterat till styrkan och tidpunkten för uppväxande händelser. Men de extremt höga koncentrationerna av domonsyra orsakades troligen av ovanlig havskemi - speciellt ett lågt förhållande silikat till nitrat i vikvatten.

Eftersom bukvattnets ovanliga kemi sammanföll med den storskaliga uppvärmningen i nordöstra Stilla havet, forskarna misstänker att det kan finnas ett samband mellan de två fenomenen. Men de har inte tillräckligt med data om havskemi utanför Monterey Bay för att uträtta denna koppling.

När jag reflekterar över den senaste tidningen, Ryan sa, "En av takeawaysna av denna forskning är att vi behöver bra kemiska såväl som fysiska data för att förstå och förutsäga skadliga algblomningar. I det här fallet, näringssilikatet tycktes vara nyckelfaktorn. Dock, andra näringsämnen, såsom urea (i avloppsvatten), kan också påverka toxiciteten hos dessa alger. Vi ser fram emot att tillämpa vår nya teknik för att övervaka biologiska, fysisk, och kemiska förhållanden i kusthavet. Detta kommer att hjälpa oss att förstå och så småningom förutsäga när och var skadliga algblomningar sannolikt kommer att inträffa. "