Syrenivåerna i världens tempererade sötvattensjöar minskar snabbt – snabbare än i haven – en trend som till stor del drivs av klimatförändringar som hotar sötvattens biologiska mångfald och dricksvattenkvalitet.

Forskning publicerad idag i Natur fann att syrehalterna i undersökta sjöar över den tempererade zonen har minskat med 5,5 % vid ytan och 18,6 % på djupa vatten sedan 1980. Samtidigt, i en stor delmängd av mestadels näringsförorenade sjöar, ytsyrenivåerna ökade när vattentemperaturen passerade en tröskel som gynnar cyanobakterier, som kan skapa gifter när de frodas i form av skadliga algblomningar.

"Allt komplext liv är beroende av syre. Det är stödsystemet för vattenlevande näringsnät. Och när du börjar förlora syre, du har potential att förlora arter, sa Kevin Rose, författare och professor vid Rensselaer Polytechnic Institute. "Sjöar förlorar syre 2,75-9,3 gånger snabbare än haven, en nedgång som kommer att påverka hela ekosystemet."

Forskare analyserade totalt över 45, 000 lösta syre- och temperaturprofiler samlade sedan 1941 från nästan 400 sjöar runt om i världen. De flesta långtidsrekord samlades in i den tempererade zonen, som spänner över 23 till 66 grader nordlig och sydlig latitud. Förutom biologisk mångfald, koncentrationen av löst syre i akvatiska ekosystem påverkar utsläppen av växthusgaser, näringsbiogeokemi, och slutligen, Mänsklig hälsa.

Även om sjöar bara utgör cirka 3 % av jordens landyta, de innehåller en oproportionerlig koncentration av planetens biologiska mångfald. Huvudförfattare Stephen F. Jane, som avslutade sin Ph.D. med Rose, sade att förändringarna är oroande både för deras potentiella inverkan på sötvattensekosystem och för vad de föreslår om miljöförändringar i allmänhet.

"Sjöar är indikatorer eller "vaktposter" på miljöförändringar och potentiella hot mot miljön eftersom de svarar på signaler från det omgivande landskapet och atmosfären. Vi fann att dessa oproportionerligt fler biologiska mångfaldssystem förändras snabbt, anger i vilken utsträckning pågående atmosfäriska förändringar redan har påverkat ekosystemen, " sa Jane.

Även om utbredda förluster av löst syre över de studerade sjöarna är kopplade till klimatförändringar, vägen mellan värmande klimat och förändrade syrehalter i sötvatten drivs av olika mekanismer mellan yt- och djupvatten.

Deoxygenering av ytvatten drevs mestadels av den mest direkta vägen:fysik. När ytvattentemperaturen ökade med 0,38 grader Celsius per decennium, koncentrationerna av löst syre i ytvatten minskade med 0,11 milligram per liter per decennium.

"Syremättnad, eller mängden syre som vatten kan hålla, går ner i takt med att temperaturen stiger. Det är ett känt fysiskt förhållande och det förklarar det mesta av trenden i ytsyre som vi ser, sa Rose.

Dock, vissa sjöar upplevde samtidigt ökande koncentrationer av löst syre och värmande temperaturer. Dessa sjöar tenderade att vara mer förorenade med näringsrik avrinning från jordbruks- och utvecklade vattendelar och har höga klorofyllkoncentrationer. Även om studien inte inkluderade taxonomiska mätningar av fytoplankton, varma temperaturer och förhöjt näringsinnehåll gynnar cyanobakterieblomningar, vars fotosyntes är känd för att orsaka övermättnad av löst syre i ytvatten.

"Det faktum att vi ser ökande mängd löst syre i dessa typer av sjöar är potentiellt en indikator på utbredda ökningar av algblomningar, av vilka några producerar gifter och är skadliga. Frånvarande taxonomiska data, dock, vi kan inte säga det definitivt, men inget annat vi är medvetna om kan förklara detta mönster, " sa Rose.

Förlusten av syre i djupare vatten, där vattentemperaturerna har förblivit i stort sett stabila, följer en mer komplex väg som sannolikt är knuten till ökande ytvattentemperaturer och en längre varm period varje år. Uppvärmande ytvatten i kombination med stabila djupvattentemperaturer gör att skillnaden i täthet mellan dessa lager, känd som "stratifiering, " ökar. Ju starkare denna stratifiering, desto mindre sannolikt är blandning mellan skikten. Resultatet är att syre i djupa vatten är mindre benägna att fyllas på under den varma skiktade årstiden, eftersom syresättning vanligtvis kommer från processer som sker nära vattenytan.

"Ökningen av skiktningen gör blandningen eller förnyelsen av syre från atmosfären till djupa vatten svårare och mindre frekvent, och djupt vatten löst syre droppar som ett resultat, " sa Rose. Förluster av vattenklarhet var också förknippade med förluster av löst syre i djupt vatten i vissa sjöar. det fanns ingen övergripande nedgång i klarhet över sjöar.

Syrekoncentrationer reglerar många andra egenskaper hos vattenkvaliteten. När syrehalten sjunker, bakterier som trivs i miljöer utan syre, som de som producerar den kraftfulla växthusgasen metan, börja sprida sig. Detta tyder på potentialen att sjöar släpper ut ökade mängder metan till atmosfären som ett resultat av syreförlust. Dessutom, sediment frigör mer fosfor under låga syreförhållanden, tillföra näringsämnen till redan stressade vatten.

"Pågående forskning har visat att syrehalterna sjunker snabbt i världshaven. Denna studie visar nu att problemet är ännu allvarligare i sötvatten, hotar vår dricksvattenförsörjning och den känsliga balansen som gör att komplexa sötvattensekosystem kan frodas, sade Curt Breneman, dekanus vid Vetenskapshögskolan. "Vi hoppas att detta fynd ger större brådskande ansträngningar för att ta itu med de successivt skadliga effekterna av klimatförändringar."

"Widespread deoxygenation of temperate lakes" publicerades med stöd från National Science Foundation. Rose och Jane fick sällskap av dussintals medarbetare i GLEON, Global Lake Ecological Observatory Network, och baserad på universitet, miljökonsultföretag, och statliga myndigheter runt om i världen.