Med den växande frekvensen och omfattningen av giftiga sötvattenalgblomningar blir ett allt mer oroande folkhälsoproblem, Carnegie-forskarna Jeff Ho och Anna Michalak, tillsammans med kollegor, har gjort nya framsteg för att förstå drivkrafterna bakom Lake Erie-blomningar och deras konsekvenser för sjörestaurering. Arbetet publiceras i två relaterade studier.

Med hjälp av data från NASA:s Landsat 5-instrument, forskarna genererade nya uppskattningar av historiska algblomningar i Lake Erie, mer än en fördubbling av antalet år som tidigare var tillgängliga för forskare att undersöka, från 14 till 32. (Denna första studie publicerades i Fjärranalys av miljön .) Utforska detta nya historiska rekord, de upptäckte att kumulativ fosforbelastning i decadalskala – det vill säga avrinningen som kommer in i vattenvägarna – hjälper till att förutsäga blomningsstorlek utöver effekterna från samma års fosfortillförsel. Arbetet tyder på att det kan ta upp till ett decennium att skörda fördelarna av nyligen föreslagna minskningar av näringsämnen. (Denna andra studie publicerades i Journal of Great Lakes Research .)

Skadliga sötvattenalgblomningar uppstår när alltför stora mängder fosfor tillsätts vattnet, ofta som avrinning från konstgödsel. Överskottet av fosfor stimulerar tillväxten av vattenväxter och växtplankton som blågröna alger Microcytsis sp ., en organism som producerar ett toxin som påverkar den mänskliga levern och som också kan orsaka hudirritation.

Ingenstans har problemet med giftiga algblomningar känts mer akut än Lake Erie, som gränsar till de amerikanska delstaterna Ohio, Pennsylvania, och New York, och den kanadensiska provinsen Ontario. På 1960- och 1970-talen algblomning var en stor olägenhet, men binationella fosformål ledde till sjöåterhämtning. På senare tid, blomningarna har återvänt med större intensitet och konsekvenser, med rekordstora blomningar 2011 och 2015. Toxiner från en Microcystis blomningen 2014 ledde till en tredagars "drick inte kranvatten"-rådgivning för de 500, 000 invånare i Toledo, Ohio, och det omgivande området.

"Vattenkvaliteten i den västra delen av Lake Erie har sjunkit i två decennier, ", kommenterade huvudförfattaren Jeff Ho. "Omkring 11 miljoner människor är beroende av Lake Erie för att dricka vatten."

Detta akuta problem föranledde utvecklingen av nya fosformål från den binationella internationella gemensamma kommissionen 2016. De nya målen är ett viktigt steg för att skydda Lake Eries vatten, men återhämtningen kommer sannolikt att ta flera år även efter att mängden fosfor som kommer in i sjön har minskat.

"Resultaten av våra studier tyder på att fosfor som fångas i sjösediment fortsätter att släppas ut i sjön under flera år, matning blommar år efter år, " kommenterade medförfattaren Anna Michalak.

Michalak och Ho var motiverade att påbörja dessa studier efter att ha insett att alla nuvarande ansträngningar för att modellera giftiga blomningar i Lake Erie baserades på mindre än femton års data. "Skulle vår förståelse av sjöprocesser förändras om vi kunde gå tillbaka för att se vad som hände på 80- och 90-talen?" Michalak minns att han frågade.

Det första steget var att hämta ny information om historiska blomningar från befintliga satellitposter. Att göra detta, teamet tittade på Landsat 5-arkivet, går tillbaka till 1984. Genom att använda en nyutvecklad metod baserad på flera mätvärden för blomnärvaro, distribution, storlek, och timing, de utvärderade elva kandidat Landsat-algoritmer, och hittade den som bäst matchade befintliga data för de senaste åren. De använde sedan denna algoritm för att kartlägga blommor tillbaka till 1984, mer än fördubblar det befintliga historiska rekordet, och dramatiskt öka deras förmåga att förstå trender och orsaker.

"Denna multimetriska metod för att identifiera den bästa blomdetekteringsalgoritmen gav oss en heltäckande bild av varje algoritms styrka och svagheter, " anmärkte Ho.

Med dessa nya blomdata i handen, forskarna undersökte sambandet mellan blomningens svårighetsgrad och vattentillförseln till sjön, speciellt fosfor. Forskarna upptäckte att mängden fosfor som kommer in i sjön varje vår, tillsammans med mängden fosfor som hade kommit in i sjön under det föregående decenniet, kunde förklara tre fjärdedelar av variationen från år till år i blomstorlek under rekordperioden på tre decennier.

"Den kumulativa fosforbelastningen, indikerar långsiktiga trender i blomstorlek, var nyckeln till att förstå varför vissa blomningar hade inträffat under år med mycket lite vårfosforavrinning, " anmärkte Ho. "Det förklarar också varför blommorna har blivit större de senaste åren, ännu mer än vi skulle ha förväntat oss baserat på förändringar från år till år enbart i vårlastningen, " tillade Michalak.

"Vägen framåt för Lake Erie är tydlig - vi måste minska mängden fosfor som strömmar in i sjön. Och vi måste ha tålamod för att ge sjön tid att återhämta sig, avslutade Michalak.