Gradvisa miljöförändringar på grund av övergödning och global uppvärmning kan orsaka en snabb utarmning av syrehalten i sjöar och kustvatten. En ny studie som leds av professorerna Jef Huisman och Gerard Muyzer vid University of Amsterdam (UvA) visar att mikroorganismer spelar en nyckelroll i dessa katastrofala regimskiften. Forskarnas resultat publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 6 oktober.
Regimskiftet är abrupt, stora och ihållande förändringar i ekosystemens struktur och funktion som utlöses av gradvisa förändringar i miljöförhållandena. Regimskift har beskrivits för ett stort antal ekosystem. En typ av regimskifte kan inträffa i sjöar och kustvatten när en snabb utarmning av koncentrationen av upplöst syre leder till syrebrist, vilket är skadligt för de flesta vattenlevande organismer. Även om detta fenomen är välkänt, de bakomliggande mekanismerna som orsakar övergången från oxiska till anoxiska tillstånd är inte helt förstådda.
Forskare från UvA och University of Edinburgh utvecklade en matematisk modell för att undersöka interaktioner mellan den mikrobiella artkompositionen och koncentrationen av upplöst syre. De upptäckte att sjöar kan vara i två alternativa stabila tillstånd:ett där sjön är rik på syre, och en annan där den saknar syre. Övergångar från det oxiska till det anoxiska tillståndet sker i form av ett regimskifte. "När syretillströmningen gradvis minskar, till en början kvarstår syreproducerande cyanobakterier och alger och sjön förblir i det oxiska tillståndet, "förklarar författaren Tim Bush." Under en kritisk tröskel, dock, sulfatreducerande bakterier och fotosyntetiska svavelbakterier tar över. Dessa orsakar en ökning av sulfidkoncentrationerna, som sedan dödar cyanobakterierna och snabbt vänder sjön från ett oxikalt till ett anoxiskt tillstånd. "
En av konsekvenserna av detta regimskifte är att det inte är lätt att återgå till syrerika förhållanden. Systemet visar hysteres. När vattnet har blivit anoxiskt, höga sulfidkoncentrationer som upprätthålls av de anaeroba svavelbakterierna stabiliserar de anoxiska förhållandena. Som ett resultat, för att återgå till de tidigare oxiska förhållandena krävs en mycket större syretillströmning än tillströmningen som ursprungligen förde systemet till dess anoxiska tillstånd.
Forskarna övervakade en liten sjö med säsongsanoxi i de djupare vattenlagren för att undersöka dessa modellprognoser. Sjön visade hysteres i övergången mellan oxiska och anoxiska förhållanden, med förändringar i mikrobiell gemenskapssammansättning i överensstämmelse med modellprognoserna. Liknande fenomen har observerats i övergödda kustvatten, där anoxiska förhållanden och höga sulfidkoncentrationer har lett till massdödlighet av fisk, blötdjur och många andra arter. Författarna indikerar att liknande förändringar av oxikanoxisk regim troligen har skett i global skala i jordens geologiska förflutna, när stora delar av havet blev syreutarmade under perioder med global uppvärmning och höga atmosfäriska CO2-koncentrationer. Enligt professorer Huisman och Muyzer, flera aspekter är fortfarande inte helt förstådda eller kan inte kvantifieras i detalj. Dock, dessa resultat ger en varning om att fortsatt övergödning och uppvärmning av sjöar och hav kan driva dessa ekosystem bortom en kritisk tipppunkt, orsakar snabba övergångar från oxiska till anoxiska tillstånd som inte lätt kan vändas.
