Ta ett djupt andetag. Var uppmärksam på hur luften rör sig från näsan till halsen innan du fyller lungorna med syre. När du andas ut, lämnar en blandning av syre och koldioxid din näsa och mun.
Visste du att bäckar och floder "andas" på liknande sätt?
USA är hem för mer än 250 000 av dessa strömmande vattendrag som ansluter till kustzoner och hav. De varierar i storlek, från små bäckar till stora floder, men alla tar upp syre och avger koldioxid och andra växthusgaser som metan.
Under de senaste åren har ett team av forskare under ledning av Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) fördjupats i avgörande forskning kring de processer och interaktioner som bidrar till växthusgasdynamiken. Deras arbete fokuserar på hela nätverk av bäckar och floder, såväl som marken som omger dessa system.
Deras arbete inkluderar också faktorer som kan störa hur bäckar och floder andas. Vissa av dessa störningar inträffar bortom strömmar, som skogsbränder, men påverkar fortfarande hur strömmar andas genom att ändra hur material kommer in i strömmar. Att förstå dessa effekter är nyckeln till att ta itu med utmaningar relaterade till vattenkvalitet, globala kolkretslopp och klimatförändringar.
PNNL-forskare har utfört modellerings-, fält- och laboratoriestudier över hela USA, med vissa studier som är särskilt intensiva inom Columbia River Basin. Detta område täcker 258 000 kvadratkilometer, och Colombiafloden flyter över 1 270 miles från de kanadensiska Klippiga bergen till Stilla havet. Denna bassäng inkluderar frodiga skogar, torra öknar och stora jordbruksmarker. PNNL:s huvudcampus är inrymt i bassängen i östra Washington.
Forskning ledd av PNNL har tagit fram modeller och data som kan hjälpa till att förutsäga hur man skyddar landets vattendrag och floder och de samhällen som är beroende av dem. Verket publiceras i tidskriften Frontiers in Water .
"Vårt team använder modeller och data för att få nya insikter och utveckla förutsägelser som kommer att informera beslut fattade av tillsynsmyndigheter och naturresursförvaltare", säger Timothy Scheibe, en PNNL Lab Fellow och jordforskare som är en av ledarna för denna forskning.
Modeller och data kan hjälpa till att informera om hantering av vatten och markanvändning, inklusive hur man reagerar på naturkatastrofer som skogsbränder och torka. De kan också hjälpa till att informera om hur framtida förändringar i miljön kan påverka naturliga och mänskliga system som är viktiga för vår planets hälsa.
En av drivkrafterna bakom att förstå hur bäckar och floder andas är en uppsättning processer som kallas andning – en samling kemiska reaktioner som tillsammans bestämmer hur mycket kol som stannar kvar och hur mycket som kommer in i atmosfären som koldioxid.
Andning kombinerar kol och syre för att generera energi till levande organismer. Denna process skapar också en del "avgaser" i form av koldioxid som "andas ut" av organismer som alger och bakterier inom bäckar och floder. Genom att studera andning över många typer av bäckar och floder kan forskare lära sig varför vissa system andas mer än andra.
Att förstå "varför" är nyckeln. Det är det som gör det möjligt för forskare att förutsäga framtiden för bäckar och floder.
Det är också viktigt att förstå om vatten eller sediment i floder och bäckar har mer andning. För att svara på detta samarbetade PNNL med forskare vid Washington State University och University of Montana. Teamet fann att i Columbia River görs den mesta andningen av organismer i vattnet. Detta beror troligen på att Columbiafloden innehåller mycket vatten där andning kan ske.
Men i andra strömsystem är det mikrober i sediment som gör det mesta av andningen. Vissa sediment "andas" mycket snabbare än andra och producerar som ett resultat mer koldioxid.
PNNL-teamet har visat att mängden koldioxid som produceras av sediment är kopplad till storleken på stenar som utgör flodbäddar. Större stenar leder ofta till mer andning. Det är viktigt eftersom ju snabbare sediment andas, desto mer kan de rensa ut föroreningar från bäckar och floder.
Förutom gaser som syre och koldioxid innehåller bäckar och floder partiklar av döda organismer som växter och alger. Detta är känt som organiskt material, och det är "bränslet" eller "maten" som driver andningen och spelar en roll för vattenkvaliteten och hälsan hos vattenlevande arter. Sammansättningen av organiskt material styrs delvis av markanvändning, föroreningar, skogsförvaltning och naturliga och mänskliga störningar, så att förstå dess förhållande till andning kan motivera olika metoder för mark- och vattenförvaltning.
PNNL-teamet ledde forskning som tittade på hur förändringar i typer av organiskt material orsakar förändringar i andningen. I en serie studier visade teamet att andning i sediment är kopplat till kemin hos organiskt material. Gränserna i vattnet studie, utförd i samarbete med forskare från University of Nebraska, avslöjade allmänna regler över olika strömmar som definierar hur organiskt material kemi länkar till sedimentandning.
PNNL-forskare avslöjade också hur en skogsbrand kan förändra organiskt material i strömmar efter en skogsbrand. Teamet fann att det fanns ett samband mellan sammansättningen av organiskt material och hur bränder påverkade landskapet under den första stormen efter en stor skogsbrand 2020. Detta gör det svårt att ta reda på hur mikrober använder olika typer av organiskt material för att underblåsa andning i vattendrag. och floder.
Det finns tiotusentals olika föreningar som utgör organiskt material. Det finns också en mängd olika organismer som använder organiskt material som bränsle. Detta gör det svårt att räkna ut hur mycket andning som sker mellan olika sorters organiskt material och organismer i vattendrag och floder.
Trots utmaningarna har PNNL och partnerforskare avslöjat allmänna regler för hur dessa komplexa system fungerar. Dessa regler tillåter forskare att lösa andra viktiga utmaningar som hur man kan förbättra vattenkvaliteten och förutsäga hur mycket koldioxid som kommer att lämna bäckar och floder efter stora händelser som skogsbränder.
"Att förstå vilka principer som reglerar processer och hur de fungerar över system är ett nyckelmål för vårt arbete", förklarade PNNL Earth-forskaren Allison Myers-Pigg. "Denna kunskap ger en grund för att bygga modeller som kan förutsäga den framtida hälsan för bäckar och floder, inklusive hur de kan påverkas av stora störningar. Utan denna kunskap kan vi inte göra exakta förutsägelser."
Mer information: Firnaaz Ahamed et al, Utforska bestämningsfaktorerna för biotillgänglighet av organiskt material genom substratexplicit termodynamisk modellering, Frontiers in Water (2023). DOI:10.3389/frwa.2023.1169701
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
