Strefy martwych wód

Strefy martwych wód (martwe strefy) – obszary wód o zawartości tlenu zbyt niskiej, by mogły w nim przeżyć organizmy oddychające tlenem, zarówno roślinne, jak i zwierzęce. Powstają wskutek eutrofizacji zbiorników wodnych, zarówno śródlądowych, jak i otwartych mórz, i obejmują rozległe partie wód głębinowych i przydennych – często o powierzchni kilkuset, a nawet kilku tysięcy kilometrów kwadratowych, powodując śmierć żyjących tam organizmów (ryb, bezkręgowców bentosowych) i wymierne straty ekonomiczne.

Dno Bałtyku w obrębie strefy martwych wód, pokryte ciałami krabów, ryb i małży, zabitych przez deficyt tlenowy.

Występowanie

Czerwone okręgi pokazują lokalizację i wielkość stref martwych wód na świecie. Czarne kropki oznaczają martwe strefy o nieznanej wielkości. ”Wielkość i liczba martwych stref w morzach – akwenów, gdzie wody głębinowe są tak zubożone w tlen, że organizmy wodne nie mogą w nich przeżyć – wzrosła skokowo w ciągu minionych pięciu dekad.” – NASA Earth Observatory^[1]

Występowanie martwych stref stwierdzono w wielu akwenach morskich i śródlądowych na całym świecie, głównie w najbardziej narażonych na antropopresję rejonach przybrzeżnych, okolicach estuariów rzecznych, izolowanych i płytkich zbiornikach. Liczbę stref martwych wód na świecie szacuje się na kilkaset^[2][3]. Jak stwierdzono na podstawie badań osadów morskich, okresowe braki tlenu w głębszych warstwach mórz występują naturalnie. Ze względu na oddziaływanie cywilizacji ludzkiej zwiększyła się częstość i areał ich występowania^[4].

Bałtyk

Strefa martwych wód w Bałtyku, w której notowana jest hypoksja (spadek koncentracji tlenu w wodach głębinowych do poziomu poniżej 2 mg/L), obejmuje corocznie średnio powierzchnię ok. 49 tys. km². Sytuacja taka utrzymuje się stale od ok. 40 lat^[5][6]. Wpływ natlenionych wód z Atlantyku nie jest w stanie dostarczyć wystarczającej ilości tlenu dla utlenienia rozkładającej się na dnie biomasy, dodatkowo powoduje stratyfikację termohalinową: chłodniejsze i bardziej słone wody atlantyckie zalegają pod wysłodzonymi i cieplejszymi wodami spływającymi z rzek zlewni Bałtyku, przez co ich mieszanie jest ograniczone, w konsekwencji utrudniony jest dostęp tlenu z powietrza do głębszych wód^[4]. Sytuacja poprawia się co kilka lat i na krótko w wyniku większych wlewów wód atlantyckich do Bałtyku. W wyniku zalegania silniej zasolonych i natlenionych wód oceanicznych w głębinach odciętych płytkimi progami oraz z powodu odcięcia od wód powierzchniowych halokliną sukcesywnie następuje spadek zawartości tlenu, aż do jego całkowitego zużycia. Dalszy rozkład materii organicznej docierającej do głębszych warstw z wód powierzchniowych wiąże się już z powstawaniem siarkowodoru. Od lat 50. do końca 70. XX wieku siarkowodór powstawał okresowo, od tego czasu gaz ten jest już stale stwierdzany w Bałtyku poniżej głębokości od 130 do 250 m. Wody poniżej tej głębokości są silnie trujące i pozbawione są wyższych form życia^[4].

Niebezpieczną konsekwencją powiększania się areału martwych wód jest rosnące ryzyko uwolnienia toksyn zgromadzonych na dnie morza, szczególnie istotne w przypadku Bałtyku ze względu na dawne składowanie trucizn w tym akwenie. W wodach natlenionych w górnej warstwie osadów dennych znajduje się trudno przepuszczalna granica między strefami utleniania i redukcji. W wodach beztlenowych granica ta zanika i substancje zawarte w osadach łatwiej przenikają do wód^[7].

Morze Czarne

Strefy martwych wód w Morzu Czarnym rozwijały się od lat 60. ubiegłego wieku, wskutek eutrofizacji spowodowanej masowym stosowaniem nawozów na obszarach w zlewni morza i zrzutami ścieków komunalnych do rzek (zwłaszcza Dunaju i Dniepru), zbyt intensywnego rybołówstwa oraz inwazji gatunków oportunistycznych^[8][9]. W roku 1990 martwa strefa u ujścia Dunaju obejmowała obszar 40 tys. km² (porównywalny z powierzchnią Szwajcarii), według szacunków do tego czasu zginęło wskutek anoksji 60 mln ton organizmów bentosowych^[8]. Po około pięciu latach od załamania intensywnej gospodarki rolnej w wyniku upadku gospodarek komunistycznych w państwach leżących w zlewni morza (po 1989 r.) wielkość martwych stref uległa zmniejszeniu, jednak w dalszym ciągu okresowo pojawiają się, a ekosystem nie wrócił do równowagi sprzed załamania^[9].

Martwe strefy w innych akwenach

• Zatoka Chesapeake^[10]
• Zatoka Meksykańska^[11]
• Wielkie Jeziora Ameryki^[12][13]
• estuarium Rzeki Świętego Wawrzyńca^[14]
• wody przybrzeżne Nowej Zelandii^[15][16].
• Morze Japońskie^[2]

Przyczyny

Martwe strefy powstają w wyniku rozkładu biomasy glonów, wytworzonej podczas zakwitów glonów, takich jak ten zakwit u wybrzeży Kalifornii.

Martwa strefa w Zatoce Meksykańskiej. Kolory pomarańczowe i czerwone oznaczają obszary wód z koncentracją tlenu poniżej 2 mg/L.

Zakwit fitoplanktonu w północnej części Morza Kaspijskiego, czerwiec 2003. Zdjęcie z satelity Terra (MODIS), NASA.

Główną przyczyną powstawania stref martwych wód jest eutrofizacja, spowodowana przez wzmożony na skutek działalności człowieka napływ biogenów (fosforanów, azotanów, jonów amonowych) do zbiorników wodnych^[10]. Scenariusz powstawania stref martwych wód jest, pomimo niewielkich różnic związanych z lokalnymi uwarunkowaniami, uniwersalny^{[8][17][18][19]}:

1. nadmiar substancji odżywczych (biogenów), spływających ze zlewni, powoduje gwałtowny rozwój fitoplanktonu w pelagialu (zakwit)
2. zakwit powoduje zmniejszenie przejrzystości wody. W rezultacie mniej światła dociera do dna, ponadto rośliny wodne są obrastane przez peryfiton, co powoduje, że przestają produkować tlen w warstwie przydennej i obumierają.
3. następuje zmiana składu gatunkowego fitoplanktonu związana z rozwojem gatunków o szybkim tempie wzrostu, takich jak np. sinice i toksyczne bruzdnice. Powoduje to wzrost śmiertelności zooplanktonu, odżywiającego się fitoplanktonem, i rozwój gatunków oportunistycznych, takich jak np. wiciowce (Noctiluca sp.), które nie są w stanie efektywnie kontrolować biomasy fitoplanktonu.
4. wzrost ilości materii organicznej opadającej na dno (odchody zwierząt odżywiających się fitoplanktonem, martwy fitoplankton, obumarłe hydrofity) powoduje rozwój bakterii i grzybów saprofitycznych rozkładających tę materię i przy okazji zużywających tlen.
5. jeżeli w akwenie zakłada się stratyfikacja, związana z różnicami temperatury i zasolenia pomiędzy górnymi i przydennymi warstwami wody, tlen z warstw powierzchniowych nie dociera do warstw dennych – następuje deficyt tlenowy lub nawet całkowite odtlenienie wód głębinowych i przydennych.
6. brak tlenu i toksyczne związki powstające w wyniku beztlenowego rozkładu materii organicznej (amoniak, siarkowodór) powodują śmierć całego zespołu organizmów bentosowych
7. beztlenowe warunki w warstwie przydennej powodują uwalnianie biogenów z osadów („internal nutrient loading”), co na zasadzie dodatniego sprzężenia zwrotnego zwiększa trofię wód i utrudnia powrót ekosystemu do stanu przed eutrofizacją.

Proces ten może być dodatkowo przyspieszony, jeśli w akwenie jest nasilone rybołówstwo, dla którego najbardziej atrakcyjne są gatunki dużych, drapieżnych ryb (takich jak tuńczyk, makrela, dorsz, dorada, wątłusz). Gatunki te są gatunkami kluczowymi w ekosystemie: żerują na mniejszych rybach planktonożernych. Gdy ich zabraknie, wzrasta liczebność ryb planktonożernych, odżywiających się zooplanktonem: liczebność zooplanktonu spada i wzrasta liczebność fitoplanktonu (kaskada troficzna), potęgując zakwit^[9].

Dodatkowo inwazje gatunków obcych, eurytopowych o dużej tolerancji ekologicznej (takich jak np. żebropław Mnemiopsis leidyi, ślimak Rapana venosa, trawa Spartina sp.), mogą jeszcze bardziej zdestabilizować lokalne sieci zależności troficznych ekosystemu^[20][21].

Zapobieganie i rekultywacja

Nie wynaleziono efektywnego ekonomicznie sposobu rekultywacji martwych stref. Natlenianie hypolimnionu i wytrącanie chemiczne biogenów (np. z wykorzystaniem związków aluminium)^[22] jest bardzo kosztowne i może być stosowane miejscowo, w ograniczonej skali^[23][24][25].

Jak dotąd jedynie zapobieganie eutrofizacji i racjonalna gospodarka zasobami wód (zrównoważony rozwój) może przyczynić się do ograniczenia powstawania martwych stref – oznacza to m.in. konieczność radykalnej redukcji ładunku zanieczyszczeń i biogenów niesionych ze zlewni do zbiornika wodnego, reintrodukcję i obudowę populacji gatunków kluczowych dla zachowania równowagi ekosystemu (np. ryb drapieżnych, małży filtrujących fitoplankton z wody), ograniczenie rybołówstwa^[8].

Prognozy co do skali zjawiska w przyszłości są jednak niezbyt optymistyczne – według oceny środowiska dokonanej przez agendy ONZ (Millenium Ecosystem Assesment, 2005) napływ związków azotowych do mórz w związku z działalnością człowieka zwiększy się o 65% do połowy tego stulecia^[8]. Jak widać na przykładzie Zatoki Meksykańskiej, częstość występowania i powierzchnia strefy martwych wód w, mimo podjętych działań zapobiegawczych, nie uległa znaczącej zmianie od roku 2002^[26].

Zobacz też

• Przyducha
• Eksperyment kortowski