Некоторые виды диатомовых водорослей Pseudo-nitzschia продуцируют мощный нейротоксин, называемый домойной кислотой, который может вызывать судороги и смерть у млекопитающих. Предыдущее цветение этих диатомовых водорослей в 1991 и 1998 годах вызвало заболевание и привело к гибели множества морских птиц и морских львов в заливе Монтерей.
Однако исследователи все еще пытаются выяснить, почему некоторые цветки псевдо-нитцшии более токсичны, чем другие.Цветение Pseudo-nitzschia в 2015 году совпало с масштабным биологическим экспериментом в заливе Монтерей под названием «Экология и океанография вредоносного цветения водорослей» (ECOHAB).
В ходе этого эксперимента ученые из MBARI, Калифорнийского университета в Санта-Крус, Морских лабораторий Moss Landing и Национального управления океанических и атмосферных исследований измерили океанографические условия, а также концентрации псевдо-нитцскии и домовой кислоты по всему заливу Монтерей.Во время эксперимента ECOHAB исследовательская группа отправила подводных роботов в плавание по заливу. Датчики на борту роботизированных транспортных средств выявили чрезвычайно высокие концентрации токсичных диатомовых водорослей Pseudo-nitzschia, скрывающихся под поверхностью. Исследователи также поставили на якорь два роботизированных инструмента молекулярной биологии (процессоры проб окружающей среды или ESP) возле северного и южного концов залива.
ESP подтвердили, что цветение состояло в основном из одного особенно токсичного вида, Pseudo-nitzschia australis, и что эти диатомовые водоросли содержали необычно высокие концентрации домоевой кислоты. Результатом стала смертельная комбинация: густые популяции особо токсичных диатомовых водорослей.
Джон Райан, океанограф MBARI и ведущий автор недавней статьи, хотел узнать, какие факторы повлияли на рост и токсичность цветения 2015 года в заливе Монтерей. Работая с командой ECOHAB, он изучил физические и химические условия, предшествовавшие цветению 2015 года, и сравнил эти данные с условиями, измеренными в предыдущие годы.Райан сначала рассмотрел возможность того, что необычно теплые воды океана могли сыграть роль в цветении.
С 2014 по 2016 год поверхностные воды в северо-восточной части Тихого океана были намного теплее, чем обычно, — явление, получившее название «теплая капля». Но сравнив условия 2015 года с историческими данными, Райан обнаружил, что вода в заливе Монтерей не была необычно теплой во время цветения. Теплая вода действительно влияла на залив до и после цветения, но весной 2015 года вода остыла за счет местного апвеллинга.
Апвеллинг возникает, когда сильные северо-западные ветры отодвигают поверхностные воды от берега, позволяя холодной глубокой воде, богатой нитратами, силикатами и другими питательными веществами, подниматься на поверхность моря. Поскольку эти питательные вещества действуют как удобрение для морских водорослей, апвеллинг часто приводит к цветению диатомовых водорослей.
Весной в районе залива Монтерей распространен апвеллинг.Весной 2015 г. очень сильный апвеллинг в конце марта положил начало цветению псевдоницшии.
За этим последовало несколько более умеренных событий, которые омолодили популяции диатомовых водорослей, позволив дрейфующим водорослям сохраняться и накапливаться в заливе. Эти физические факторы помогли объяснить плотную концентрацию водорослей в заливе, но они не объяснили, почему эти водоросли содержат так много домойной кислоты.
Затем Райан и его коллеги изучили химический состав бухты, сосредоточив внимание на концентрации двух ключевых питательных веществ — нитрата и силиката. Диатомовые водоросли нуждаются в нитрате для самых разных биохимических процессов, включая производство домоевой кислоты.
Им нужен силикат для роста и размножения.Исследователи MBARI измеряли содержание нитратов и силикатов в заливе Монтерей почти каждый месяц в течение последних 24 лет. Изучая этот уникальный набор данных, Райан обнаружил, что в обычных весенних условиях в заливе Монтерей силикатов больше, чем нитратов.
Однако в месяцы, предшествовавшие весеннему цветению 2015 года и во время него, в водах залива было больше нитратов, чем силикатов. Фактически, на пике цветения Pseudo-nitzschia в мае в воде практически не осталось силикатов (предположительно, диатомовые водоросли поглотили все это), но некоторое количество нитратов все же осталось.Обратившись к научной литературе, исследователи обнаружили лабораторные и полевые исследования, показывающие, что диатомовые водоросли Pseudo-nitzschia могут стать более токсичными, если у них закончились силикаты, но при этом остались нитраты.
В этих условиях диатомовые водоросли не могут быстро воспроизводиться, но они все равно могут производить домоевую кислоту. Диатомовые водоросли размножаются путем деления пополам, поэтому любая домовая кислота в родительской клетке делится между двумя дочерними клетками.
Но когда низкое соотношение силиката к нитрату приводит к менее частому размножению, домоевая кислота может концентрироваться в отдельных диатомовых водорослях.Исследователи пришли к выводу, что чрезвычайно высокая популяция псевдоницскии в 2015 году была связана с силой и временем апвеллинга. Но чрезвычайно высокие концентрации домоевой кислоты, вероятно, были вызваны необычной химией океана — в частности, низким соотношением силикатов к нитратам в водах залива.Поскольку необычный химический состав вод залива совпал с крупномасштабным потеплением северо-восточной части Тихого океана, исследователи подозревают, что между этими двумя явлениями может быть связь.
Однако у них недостаточно данных о химии океана за пределами залива Монтерей, чтобы конкретизировать эту связь.Размышляя о недавней статье, Райан сказал: «Один из выводов этого исследования заключается в том, что нам нужны хорошие химические, а также физические данные для понимания и прогнозирования вредоносного цветения водорослей. В этом случае силикат питательных веществ оказался ключевым фактором. Однако другие питательные вещества, такие как мочевина (в сточных водах), также могут влиять на токсичность этих водорослей.
Мы надеемся применить наши новые технологии для мониторинга биологических, физических и химических условий в прибрежных водах океана. Это поможет нам понять и в конечном итоге предсказать, когда и где может произойти вредоносное цветение водорослей ».