Забруднення озер стимулює ріст ціанобактерій: результати експерименту

Світлове сяйво над нічними містами, видиме здалеку, є знайомим явищем для багатьох. Це розсіяне в атмосфері штучне світло, яке робить нічне небо яскравішим, відоме як «штучне світіння неба» або skyglow. Його вплив може поширюватися далеко за межі джерела освітлення, і вже відомо, що цей феномен негативно впливає на біорізноманіття наземних екосистем. Однак, як саме skyglow впливає на прісноводні екосистеми, донедавна залишалося значною мірою нез'ясованим питанням. Нове дослідження, проведене вченими з Ляйбніц-Інституту екології прісноводних водойм та рибальства (IGB) у Німеччині, проливає світло на цю проблему, демонструючи, що навіть низький рівень штучного освітлення вночі може мати значні наслідки для озерних мешканців та процесів.

Дослідження, опубліковане у престижному журналі Water Research, показало, що штучне світло вночі сприяє розмноженню ціанобактерій, також відомих як синьо-зелені водорості. Ці мікроорганізми становлять особливу загрозу, оскільки деякі їх види здатні виробляти токсини, небезпечні для водних мешканців та людей. «Ми виявили, що багато організмів в озерах дотримуються добового ритму. Наше дослідження довело, що штучне світло вночі сприяє розмноженню ціанобактерій… Крім того, світіння неба стимулює вуглецевий цикл у прісних водоймах», — коментує професор Ганс-Петер Гроссарт, дослідник IGB, співавтор та керівник дослідження. Це відкриття підкреслює потенційно недооцінений вплив світлового забруднення на водні екосистеми.

Для вивчення цього явища дослідники використали унікальну експериментальну установку IGB — LakeLab. Цю інфраструктуру можна описати як набір експериментальних озер всередині справжнього озера. Вона складається з 24 великих ізольованих ділянок (мікрокосмів), кожна з яких містить 1300 кубічних метрів води, відокремленої від решти озера. На початку експерименту планктонні організми — водорості, бактерії, інші одноклітинні, гриби та дрібні ракоподібні — були рівномірно розподілені між усіма мікрокосмами, створюючи ідентичні стартові умови. Протягом одного місяця десять із цих мікрокосмів піддавалися слабкому штучному освітленню вночі за допомогою спеціально розробленої системи освітлення. Рівні освітленості варіювалися від 0,06 люкс (що відповідає типовому рівню skyglow у віддалених від прямих джерел світла районах) до 6 люкс (найвищий задокументований рівень skyglow). П'ять контрольних мікрокосмів залишалися без нічного освітлення. Цей експеримент став найбільшим на сьогодні польовим дослідженням впливу світлового забруднення на озера. «IGB LakeLab надає ідеальні умови для такого великомасштабного експерименту, де можна встановити причинно-наслідкові зв'язки в реалістичних польових умовах, порівнюючи реакції освітлених та контрольних неосвітлених мікрокосмів», — зазначає професор Марк Гесснер, дослідник IGB, співавтор дослідження та один із координаторів проєкту з вивчення світлового забруднення в озерах.

Команда ретельно вивчала склад бактеріальних спільнот та їхній метаболізм у воді. У природних озерах кругообіг органічної речовини включає процеси виробництва біомаси, її споживання та розкладання. Первинні продуценти, такі як водорості, водні рослини та певні бактерії (включаючи ціанобактерії), використовують сонячне світло для фотосинтезу, створюючи біомасу з неорганічних речовин, переважно вуглекислого газу або гідрокарбонату. Частина цієї біомаси слугує їжею для різноманітних організмів, а решта розкладається так званими декомпозерами (переважно бактеріями та грибами), які повертають неорганічні речовини назад у воду. Цей кругообіг вуглецю та інших елементів підтримує доступність ресурсів в озерних екосистемах. Результати експерименту показали, що штучне світло вночі суттєво змінює цей баланс.

Аналіз показав значне збільшення чисельності бактерій, які використовують світлову енергію. Зокрема, кількість ціанобактерій та іншої групи фототрофних бактерій — анаеробних кисневих фототрофів (AAPs) — була в середньому в 32 рази вищою в освітлених мікрокосмах порівняно з темними контрольними умовами. Хоча абсолютні показники варіювалися між окремими мікрокосмами, загальний результат був однозначним і статистично значущим. «Спостережуване збільшення нас здивувало, оскільки рівні освітленості були занадто низькими, щоб безпосередньо стимулювати фотосинтез ціанобактерій та інших фототрофів у класичному розумінні. В наших експериментах навіть дуже низька інтенсивність світла в 0,06 люкс була достатньою, щоб викликати реакцію», — пояснює доктор Стелла Бергер, дослідниця IGB, співавторка та експертка з фітопланктону. Це свідчить про те, що механізми впливу слабкого нічного світла можуть бути складнішими, ніж просто пряма стимуляція фотосинтезу, і можуть зачіпати інші метаболічні шляхи або добові ритми бактерій.

Вплив штучного світіння неба під час експерименту змінив не лише чисельність, але й склад бактеріальних спільнот, що, в свою чергу, вплинуло на метаболізм озера в цілому. Це було підтверджено за допомогою генетичного аналізу бактеріальних спільнот та мас-спектрометричного аналізу розчиненої органічної речовини у зразках води. Дослідження чітко показало, що skyglow стимулювало, наприклад, бактеріальне розкладання органічної речовини, виробленої водоростями. Це означає, що штучне нічне світло прискорює загальний кругообіг вуглецю в озері, що може мати каскадні ефекти на всю екосистему, включаючи доступність поживних речовин та рівень кисню у воді. «Освітленість 0,06 люкс — це приблизно той рівень, якому організми можуть піддаватися над великими міськими територіями», — додає доктор Франц Хьолькер, дослідник IGB, співавтор дослідження та другий координатор проєкту зі світлового забруднення в IGB. Це підкреслює актуальність отриманих результатів для багатьох озер, розташованих поблизу або під впливом міських агломерацій.

Таким чином, одним із наслідків драматичного зростання світлового забруднення, що спостерігається в усьому світі, може бути підвищення ризику виникнення потенційно токсичних цвітінь ціанобактерій в озерах та інших прісних водоймах. Це дослідження вказує на необхідність враховувати світлове забруднення як можливий фактор при аналізі причин масового розвитку синьо-зелених водоростей, особливо у випадках, коли інші фактори (наприклад, надлишок поживних речовин) не дають повного пояснення. Сучасні методи дистанційного зондування за допомогою супутників, літаків та безпілотників можуть надати можливості для раннього виявлення таких цвітінь та моніторингу впливу світлового забруднення на водні екосистеми в ширшому масштабі. Розуміння комплексного впливу антропогенних факторів, включаючи світлове забруднення, є критично важливим для розробки ефективних стратегій збереження здоров'я прісноводних ресурсів.