Глобальное потепление может существенно снизить способность пресноводных озер очищать воду от избыточного азота, что приведет к росту загрязнения прибрежных морских экосистем. К такому выводу пришла международная группа исследователей под руководством Базельского университета и Швейцарского федерального института водных исследований и технологий. Результаты работы, опубликованные в журнале «Nature Microbiology», указывают на высокую чувствительность естественных механизмов фильтрации к температурным изменениям.

Озера играют ключевую роль в глобальном цикле азота, задерживая и перерабатывая его соединения, поступающие в воду с сельскохозяйственных полей и бытовыми стоками. Микроорганизмы в донных отложениях превращают нитраты и аммиак в газообразный азот, который затем улетучивается в атмосферу. Этот процесс, известный как денитрификация, позволяет безопасно выводить из биосферы избыток питательных веществ. На долю внутренних водоемов приходится около 20 процентов естественного очищения воды от азота на суше.

Для изучения этого механизма ученые проанализировали пробы воды и донных отложений Бальдеггского озера в Швейцарии, площадь которого составляет чуть более пяти квадратных километров. Этот водоем типичен для умеренных широт: раз в год его слои полностью перемешиваются. Исследователи использовали изотопные метки с азотом-15 для измерения скорости денитрификации, а также построили математическую модель баланса веществ для всего озера. Оба метода подтвердили, что процесс очищения тесно связан с сезонными циклами.

Основная фаза очищения воды происходит зимой, когда холодные верхние слои опускаются вниз, обеспечивая полное перемешивание водоема. В этот период активность денитрификации возрастает почти наполовину по сравнению с летом, когда вода разделена на слои разной температуры. По прогнозам авторов исследования, при жестком сценарии изменения климата период зимнего перемешивания сократится примерно на 27 дней. Это заметно ограничит возможности водоемов по нейтрализации азота.

Ученые также описали биологический механизм, обеспечивающий высокую зимнюю активность бактерий. В донных отложениях обнаружено симбиотическое взаимодействие микроорганизмов: одни бактерии расщепляют хитин, содержащийся в панцирях планктона и остатках водорослей, а другие используют продукты этого распада как источник энергии для денитрификации. Таким образом, органические остатки служат топливом для процесса самоочищения озера.

Недостаточная фильтрация азота в озерах неизбежно приведет к тому, что его соединения будут вымываться реками в Мировой океан. Избыток азота в прибрежных морских зонах вызывает бурное цветение водорослей, дефицит кислорода и появление обширных мертвых зон, непригодных для жизни рыб и других морских организмов. В дальнейшем исследователи намерены выяснить, как сокращение периодов перемешивания воды влияет на выделение закиси азота – мощного парникового газа, который также образуется в процессе денитрификации.