Robotlaboratorier på botten av Lake Erie har avslöjat att de leriga sedimenten där släpper ut nästan lika mycket av näringsämnet fosfor i det omgivande vattnet som det kommer in i sjöns centrala bassäng varje år från floder och deras bifloder.

För mycket fosfor, till stor del från jordbrukskällor, bidrar till den årliga sommarens cyanobakterieblomning som plågar Lake Eries västra bassäng och den centrala bassängens årliga "döda zon", "en syresvält region som täcker flera tusen kvadratkilometer av sjöbotten och som minskar livsmiljön för fiskar och andra organismer.

Utsläpp av fosfor från sjön Erie-sediment under perioder med lågt syre-ett fenomen som kallas självbefruktning eller inre belastning-har erkänts sedan 1970-talet. Men den nya University of Michigan-ledda studien markerar första gången som processen har övervakats steg för steg under en hel säsong med hjälp av sensorer på sjöbotten.

Författarna till den nya studien, publicerad online den 18 februari i tidningen Miljövetenskap &Teknik Vatten , säga att självbefruktning sannolikt ökar svårighetsgraden av Lake Eries döda zon i centrala bassängen och kan göra det svårare att kontrollera i framtiden, eftersom klimatet fortsätter att bli varmt.

"Tills nu, vi saknade bevis för att peka ut när och var detta fenomen inträffar i Lake Erie och hur mycket det bidrar till näringsämnen i sjön, " sa studiens huvudförfattare Hanna Anderson, en forskningstekniker vid U-M:s Cooperative Institute for Great Lakes Research som gjort arbetet för en masteruppsats vid Skolan för miljö och hållbarhet.

"Dessa nya mätningar har gjort det möjligt för oss att uppskatta att denna självbefruktningsprocess bidrar med upp till 11, 000 ton fosfor till sjövattnet varje sommar, en mängd som ligger nära den totala årliga avrinningen av fosfor från floder och bifloder till den centrala delen av sjön, sa Casey Godwin, en biträdande forskare vid institutet och en medförfattare till artikeln.

Ansträngningar för att kontrollera Lake Erie näringsföroreningar, eller eutrofiering, har fokuserat på att minska mängden fosforrik avrinning från gårdar och andra källor som rinner ut i sjön från floder och deras bifloder. 2016, USA:s och kanadensiska regeringar antog ett fosforminskningsmål på 40 %.

Författarna till den nya Miljövetenskap &Teknik Vatten studie säger att självbefruktning med fosfor (P) som släpps ut från sediment i sjöbotten också måste övervägas.

"Miljöförvaltare med uppgift att minska belastningen måste ta hänsyn till interna belastningsuppskattningar när de bestämmer hur den totala P-belastningen ska balanseras, " skrev de. "Historisk och ihållande P-belastning av sediment representerar ett försenat sjösvar på övergödning och förhindrar framgångsrik hantering av ett system när endast extern P-belastning beaktas."

Förutom flera UM-forskare, Författarna till artikeln inkluderar forskare från National Oceanic and Atmospheric Administrations Great Lakes Environmental Research Laboratory. UM-forskare och personal på CIGLR samarbetar med NOAA GLERL om ett antal projekt som detta.

Forskarna utplacerade två små autonoma laboratorier vid sjöbottna platser i Lake Eries centrala bassäng – det ena på ett djup av 67 fot och det andra på ett djup av 79 fot – i slutet av juli 2019 och lämnade dem där i mer än två månader.

De fristående kemilaboratorierna, tillverkad av SeaBird Scientific och ägs av teamets NOAA-samarbetspartners, är cylindrar 22 tum långa och 7 tum breda. Labben och deras batterier placerades inuti en skyddande stålram som sänktes ner från aktern på ett fartyg. Metallburen var fäst vid en vikt på 150 pund och två vita flöten som höll den från botten.

De autonoma analysatorerna var programmerade att mäta fosforkoncentrationerna i vattnet var sjätte timme. De övervakade också vattentemperaturen och lösta syrehalter. Mer än 300 fosformätningar gjordes på varje plats innan enheterna hämtades i början av oktober.

Denna tidigare ouppnåeliga datauppsättning gav några överraskande fynd.

Till exempel, tidigare studier hade föreslagit att näringsämnen börjar rinna ut ur sjöbottens sediment när koncentrationerna av löst syre i de omgivande vattnen sjunker till mycket låga nivåer, ett tillstånd som kallas hypoxi.

Men kemirobotarna visade att flödet av fosfor inte började under hypoxi - även när syrenivåerna sjönk under den punkt där fisken kan överleva.

Istället, det "positiva P-flödet" från sedimenten började 12 till 24 timmar efter att halterna av löst syre i vattnet på sjöbotten sjönk till noll, ett tillstånd som kallas anoxi. Vid de två centrala bassängplatserna i Lake Erie, den perioden började på sensommaren och fortsatte in i början av oktober.

"Inom 24 timmar efter att syret försvann helt, vi registrerade en snabb ökning av fosfor i vattnet, och detta fortsatte tills koncentrationen på botten av sjön var mer än hundra gånger högre än vid ytan, " sade seniorförfattaren Thomas Johengen, chef för U-M:s Cooperative Institute for Great Lakes Research.

"Våra fynd om tidpunkten för fosforfrisättning i förhållande till syrenivåerna i vattnet är de första i sitt slag för de stora sjöarna och representerar en ny tillämpning av denna teknik, " sa Johengen.

Att veta när fosforutsläppet började, flödeshastigheten från sedimenten, och varaktigheten av den anoxiska perioden gjorde det möjligt för forskarna att uppskatta den totala mängden fosfor som läggs till Lake Eries centrala bassäng varje år på grund av intern belastning.

Forskarna uppskattade att Eries sjöbottensediment årligen släpper ut mellan 2, 000 och 11, 500 ton fosfor. Den höga änden av detta intervall motsvarar det ungefärliga årliga inflödet av fosfor till Eriesjön centrala bassäng från floder och bifloder:10, 000 till 11, 000 ton.

Den frigjorda fosforn finns i en lättillgänglig form som kallas löslig reaktiv fosfor, eller SRP, som sannolikt underblåser algtillväxt i centrala bassänger. När dessa alger dör och sjunker, bakterier bryter ner det organiska materialet och förbrukar syre i processen. Resultatet:en syrehungad region i botten- och nära bottenvatten i centralbassängen, känd som dödzonen.

"Intern belastning av fosfor från sjöbottensediment kan bli en positiv återkopplingsslinga:Hypoxi leder till frisättning av P från sedimenten, som orsakar mer algtillväxt, och de döda och döende algerna förbrukar syret i vattnet och bidrar till hypoxi följande sommar, " sa Godwin.

"Denna typ av feedback har setts i sjöar över hela världen, och det samverkar med pågående ansträngningar för att minska fosforbelastningen från Lake Eries bifloder, " han sa.

När de stora sjöarna fortsätter att värmas under de kommande åren på grund av klimatförändringar orsakade av människor, Lake Eries döda zon i centrala bassängen förväntas bildas tidigare och varar längre varje år, vilket resulterar i en större tillförsel av fosfor som frigörs från sedimenten, enligt studieförfattarna.

Den aktuella studien visar potentialen för att använda robotlaboratorier för att övervaka dessa förändringar, såväl som alla förändringar som kan uppstå på grund av det minskade flödet av näringsämnen till Lake Erie från floder och bifloder, enligt författarna. Intern belastning från centrala bassängsediment påverkar sannolikt inte svårighetsgraden av Lake Eries västra bassängalger, enligt forskarna.

"NOAA:s uppdrag i de stora sjöarna inkluderar att observera, förstå och förutse viktiga händelser såsom intern belastning. Väldigt ofta, utveckling och tillämpning av avancerad teknik som denna kan bekräfta en hypotes eller ge ny insikt som tidigare var omöjlig, " sa studiens medförfattare Steve Ruberg, senior forskare vid NOAA:s Great Lakes Environmental Research Laboratory.

"Detta viktiga observationsresultat kommer att bidra till NOAA:s samarbete med EPA:s Great Lakes National Program Office under Great Lakes Water Quality Agreement, avsevärt förbättra vår förståelse av fosforbelastningen i den hypoxiska zonen och den efterföljande påverkan på Lake Eries ekosystem, Sa Ruberg.