Ученые предсказали усиление гипоксии в реках втрое к концу века

Ученые создали модель, которая с высокой точностью предсказывает содержание растворенного кислорода в речной воде по ее температуре. Согласно результатам прогностического моделирования, до конца века на фоне потепления периоды гипоксии — опасной для речных обитателей нехватки кислорода — в мировых реках станут длиться втрое дольше. С 1980 года концентрация растворенного кислорода в реках каждое десятилетие снижалась в среднем на 0,042 миллиграмма на литр, теперь темпы ее снижения достигнут 0,087 миллиграмма ни литр. Такие прогнозы содержит исследование, опубликованное в журнале Nature Climate Change.

С ростом температуры воды в ней снижается растворимость газов, в том числе кислорода, что приводит к развитию гипоксии — состояния, при котором количество растворенного в воде кислорода настолько мало, что это становится опасным для обитающих в ней организмов. Их генетически обусловленная термотолерантность не всегда растет и не всегда помогает при гипоксии. Например, арктическим дафниям наследственная изменчивость за 10 лет не облегчила выживание, потому что пострадала их кормовая база — пурпурные серобактерии. От потепления страдают и морские, и пресноводные экосистемы: за последние 60 лет небольшие озера в северных широтах теряли по 0,4 миллиграмма растворенного кислорода на литр каждые 10 лет, и рыболовство в них уже оказалось под угрозой.

Ученые под руководством Дюнкана Грахама (Duncan Graham) из Утрехтского университета проанализировали, как менялась концентрация растворенного кислорода в мировых реках за последние 40 лет и составили прогноз того, как продолжит меняться этот показатель до конца века. Они использовали данные 2,6 миллиона измерений количества растворенного кислорода в воде 356 речных бассейнов из баз данных мониторинга качества воды (например, GLORICH — Global River Chemistry Database).

С 1980 по 2019 годы средние концентрации растворенного кислорода в мировых реках составляли от 5,7 миллиграмма на литр в тропиках до 12,7 миллиграмма на литр в полярных областях. На 81 проценте территорий концентрация растворенного кислорода в течение этих 40 лет снижалась — в среднем на 0,042 миллиграмма на литр каждые 10 лет. При этом число дней с оксидативным стрессом в мире росло в среднем на 13,3, а дней с гипоксией — на 2,7 за 10 лет. В ряде крупных рек этот процесс протекал практически втрое интенсивнее: в Амазонке и Конго кислорода становилось меньше на 0,1 миллиграмма, дней с условиями оксидативного стресса — больше на 91 и 82, а дней с гипоксией — больше на 12 и 10 за каждое десятилетие.

Авторы применили машинное обучение методом случайного леса к моделям качества поверхностных вод и гидрологии и создали на их основе гибридную модель DynQual_Random Forest, с помощью которой можно строить прогнозы с учетом большого количества факторов и переменных. За порог оксидативного стресса было принято значение менее пяти, а за порог гипоксии — ниже трех миллиграммов растворенного кислорода в литре воды (такие концентрации опасны для рыб).

Согласно прогнозу ученых, если антропогенные выбросы парниковых газов не будут существенно ограничены и средняя глобальная температура вырастет более чем на два градуса, то в период с 2020 по 2100 годы количество растворенного кислорода в реках будет падать в среднем на 0,087 миллиграмма, а число дней с оксидативным стрессом и гипоксией — расти на 22,6 и 8,8 каждые 10 лет. Это означает, что длительность периодов гипоксии к концу века увеличится втрое по сравнению с историческим периодом 1980-2020 годов.

Главным предиктором снижения концентрации растворенного кислорода в воде авторы назвали ее температуру: с потеплением падает растворимость кислорода, а также растут скорость разложения органического вещества и потребление кислорода микроорганизмами. Благодаря новой модели станет легче предсказывать, как будет меняться со временем содержание растворенного кислорода в мировых реках: для этого достаточно иметь данные о температуре воды, которые регулярно обновляются в уже существующих системах экологического мониторинга.

Уже сейчас деятельность человека наносит ущерб добыче 90 процентов «голубых продуктов», то есть всей еды, которую человек извлекает из водных экосистем или выращивает в них. Если в России главной проблемой для рыболовства стало потепление воды, то во многих других регионах главную роль сыграло ее загрязнение: например, антибиотиками на побережье Кипра и ртутью у берегов южноамериканского островного государства Тринидад и Тобаго.