På grund av markanvändning och klimatförändringar, sjöar och reservoarer globalt sett ser stora minskningar av syrekoncentrationerna i sina bottenvatten. Det är väldokumenterat att låga syrehalter har skadliga effekter på fisk och vattenkvalitet, men lite är känt om hur dessa förhållanden kommer att påverka koncentrationen av koldioxid och metan i sötvatten.

Koldioxid och metan är de primära formerna av kol som kan hittas i jordens atmosfär. Båda dessa gaser är delvis ansvariga för växthuseffekten, en process som ökar den globala lufttemperaturen. Metan är 34 gånger mer potent av en växthusgas än koldioxid, Så att veta hur låga syrenivåer i sjöar och reservoarer påverkar både koldioxid och metan kan få viktiga konsekvenser för den globala uppvärmningen.

Tills nu, forskare hade inga empiriska data från hela ekosystemskalan för att definitivt säga hur förändring av syre kan påverka dessa två växthusgaser.

"Vi fann att låga syrenivåer ökade metankoncentrationerna med 15 till 800 gånger i hela ekosystemskala, sa Alexandria Hounshell, en postdoktor vid Institutionen för biologiska vetenskaper i Science College. "Vårt arbete visar att låga syrehalter i bottenvattnet i sjöar och reservoarer sannolikt kommer att öka den globala uppvärmningspotentialen för dessa ekosystem med ungefär en storleksordning."

Virginia Tech-forskare publicerade just dessa fynd i ett högeffektivt papper i Limnologi och oceanografibrev .

För att bestämma en korrelation mellan syre- och metankoncentrationer, forskare finslipade två reservoarer utanför Roanoke. I samarbete med Western Virginia Water Authority, forskargruppen drev ett syresättningssystem i Falling Creek Reservoir, som pumpar syre i bottenvattnet och gör det möjligt för forskare att studera syrekoncentrationer i hela ekosystemskala. Genom att också övervaka Beaverdam Reservoir, en uppströmsreservoar utan syresättningssystem, de kunde jämföra växthusgaskoncentrationer i bottenvattnet i båda reservoarerna. De körde experimentet under tre år för att se hur konsekventa deras resultat var över tiden.

"Metannivåerna var mycket högre när det inte fanns något syre i bottenvattnet i dessa reservoarer, medan koldioxidnivåerna var desamma, oavsett syrenivåer, sa Cayelan Carey, docent i biologiska vetenskaper och ansluten fakultetsmedlem i Global Change Center. "Med låga syrenivåer, vårt arbete visar att du kommer att få högre produktion av metan, vilket leder till mer global uppvärmning i framtiden."

Denna studie var en av de första som experimentellt testade på hela ekosystemskalan hur olika syrenivåer påverkar växthusgaser. Logistiskt sett, det är extremt utmanande att manipulera hela ekosystem på grund av deras komplexitet och många rörliga delar. Även om forskare kan använda datormodellering och laboratorieexperiment, ingenting är så definitivt som den äkta varan.

"Vi kunde byta rum med tid eftersom vi har dessa två reservoarer som vi kan manipulera och kontrastera med varandra för att se hur framtiden kan se ut, eftersom lägre syrenivåer i bottenvattnet blir vanligare. Vi kan med stor säkerhet säga att vi kommer att se dessa sjöar bli större metanutsläpp när syrenivåerna minskar, " sa Carey.

Enligt Hounshell, styrkan i deras resultat ligger i studiens vidd över flera år. Trots en rad meteorologiska förhållanden under de tre åren, studien bekräftade att mycket högre metankoncentrationer under låga syreförhållanden sker konsekvent varje år, oavsett lufttemperatur.

I sista hand, denna studie är avgörande för hur forskare, och allmänheten, tänk på hur sötvattensekosystem producerar växthusgaser i framtiden. Med låga syrekoncentrationer som ökar i sjöar och reservoarer över hela världen, dessa ekosystem kommer att producera högre koncentrationer av metan i framtiden, leder till mer global uppvärmning.

Självklart, dessa ekologiska förändringar sker inte bara i Roanoke-regionen. Världen över, ett antal studier har pekat på förändrad kolkretslopp i terrestra och marina ekosystem. Dock, denna studie är en av de få som tar itu med detta fenomen i sjöar och reservoarer, som ofta försummas i koldioxidbudgetar. Denna studie kommer att fylla i dessa kunskapsluckor och belysa vad vi kan göra som medborgare för att lösa detta problem.

Denna studie tyder på att att förhindra att sjöar upplever låga syrekoncentrationer i första hand kan ytterligare förhindra dem från att träffa tipppunkten, när de börjar bli stora metanproducenter. Små beslut kan läggas ihop. Till exempel, minskande avrinning till sjöar och reservoarer kan förhindra utarmning av syre i deras bottenvatten. "Lägg inte en ton gödsel på din gräsmatta, och vara riktigt strategisk om hur mycket gödningsmedel du använder och hur du använder det, sa Hounshell.

Och växthusgaser är bara en liten del av den större bilden av hur reservoarer fungerar i den globala kolcykeln. För närvarande, forskargruppen genomför uppföljande studier av syremanipulation för att belysa andra komponenter som bidrar till ekosystemförändringar. De kommer att fortsätta att övervaka syremanipulationer i de två Roanoke-reservoarerna för att se hur reservoaren kan påverka ekosystemet under lång tid.