Zóny minimálního kyslíku a pobřežní mrtvé zóny

Pochopení zón minimálního kyslíku

OMZ jsou trvalé, přirozeně se vyskytující rysy světového oceánu, nacházející se především ve východním tropickém Pacifiku, Arabském moři a Bengálském zálivu. Vznikají ve střední hloubce (obvykle 200–1 000 m), kde se sbíhají dva procesy: intenzivní biologická poptávka po kyslíku od mikrobů rozkládajících déšť organických částic klesajících z produktivního povrchového oceánu shora, a špatná ventilace dobře okysličenými hlubokými a mezihloubkovými vodami zdola. Výsledkem je vrstva, kde rozpuštěný kyslík (DO) může klesnout z povrchové hodnoty saturace ~8 mg L⁻¹ na méně než 0,5 mg L⁻¹ — nebo dokonce na analytickou nulu v nejintenzivnějších OMZ, jako je východní tropický Jižní Pacifik u Peru a Chile, kde se vyvíjejí sirné podmínky.

Strammova 50letá časová řada

Stramma a kol. [1] shromáždili opakovaná hydrografická pozorování z tropického Atlantiku, Tichého a Indického oceánu za 50 let a sestavili časové řady rozpuštěného kyslíku v hloubce. Jejich analýza odhalila statisticky robustní expanzi objemu vody s nízkým obsahem kyslíku, přičemž tropická atlantská OMZ vzrostla za toto období přibližně o 4,5 milionu km². Ztráta kyslíku v tropickém Atlantiku v hloubce 300–700 m činila v průměru 0,36 μmol kg⁻¹ za desetiletí — což je v absolutním vyjádření skromné, ale v průběhu desetiletí se to sčítá a vede k měřitelnému zmenšení horního oxyklinu (hranice, nad kterou je kyslík dostatečný pro většinu živočišného života). Fyzikálními hnacími silami jsou snížená rozpustnost kyslíku v oteplujícím se oceánu (teplejší voda jednoduše udrží méně rozpuštěného plynu) a zvýšená hustotní stratifikace, která potlačuje směšování okysličené povrchové vody do termokliny.

Pobřežní mrtvé zóny: Příběh eutrofizace

Zatímco OMZ jsou rysy cirkulace otevřeného oceánu ve střední hloubce, pobřežní mrtvé zóny jsou ryze antropogenním jevem způsobeným znečištěním živinami. Když řeky plné dusíku a fosforu z zemědělských hnojiv, splaškových výpustí a atmosférické depozice produktů spalování fosilních paliv ústí do pobřežních moří, podporují explozivní rozkvěty fytoplanktonu. Tyto rozkvěty nakonec odumírají a klesají, a mikrobiální rozklad tohoto obrovského množství organické hmoty spotřebuje rozpuštěný kyslík v příbřežní vodě, čímž vytváří hypoxické nebo anoxické podmínky — hypoxii příbřežní vody — která přetrvává týdny až měsíce během letní stratifikace, kdy teplejší, méně hustá povrchová voda překrývá systém a brání reoxygenaci shora.

Hypoxická zóna Mexického zálivu

Severní Mexický záliv hostí největší mrtvou zónu na západní polokouli, napájenou systémem řek Mississippi-Atchafalaya, který odvodňuje 41 % kontinentálních Spojených států – 1,8 milionu km² zemědělské půdy. Každé jaro tání sněhu a jarní deště splavují dusíkem bohatý odtok z kukuřičných a sójových polí do Mississippi, která do zálivu každoročně dodává přibližně 1,5 milionu tun dusíku. Do poloviny léta výsledná hypoxická zóna obvykle pokrývá 13 000–15 000 km² dna kontinentálního šelfu Louisiany-Texasu; v roce 2017 dosáhla rekordních 22 720 km². Diaz a Rosenberg [2] poznamenali, že mrtvá zóna Mexického zálivu patří k nejlépe zdokumentovaným na světě, přičemž monitoring od poloviny 80. let ukazuje vysokou meziroční variabilitu (způsobenou průtokem řeky), ale žádné dlouhodobé zlepšení v zatížení živinami z povodí.

Baltské moře

Polouzavřená pánev Baltského moře, mělké prahy omezující výměnu s Severním mořem a silně zemědělsky využívané povodí zahrnující devět států z něj činí nejvíce eutrofizované velké moře na světě. Hypoxie v otevřených vodách Baltského moře není sezónním jevem, nýbrž chronickým: hluboké baltské pánve zažívají téměř trvalou anoxii přinejmenším od poloviny 20. století a hypoxická a euxinická (sirná) oblast se podstatně rozšířila. Conley a kol. [4] zdokumentovali, že pobřežní hypoxie – vyskytující se v souostrovích a zálivech dříve chráněných před anoxií otevřených vod – se na počátku 21. století rozšířila a dosáhla bezprecedentních rozměrů podél celého pobřeží Baltského moře. Krapf a kol. [3] zjistili, že hypoxická oblast v otevřeném Baltském moři v posledních letech přesáhla 60 000 km², přičemž euxinické podmínky (úplné vyčerpání kyslíku s produkcí sirovodíku) pokrývaly až 20 000 km². Meier a kol. [5] zdokumentovali zrychlené rychlosti spotřeby kyslíku, které zesilují deoxygenaci – což znamená, že i kdyby se snížily přítoky živin, obnova kyslíku by se zdržela o desítky let.

Příčiny expanze OMZ

Oteplování oceánu a stratifikace

Nejzásadnější hnací silou expanze OMZ je oteplování oceánu. Rozpustnost plynů klesá s teplotou: čím teplejší je voda, tím méně kyslíku v saturaci pojme. Jak se povrch oceánu otepluje, obsah kyslíku ve vodě subdukující do termokliny klesá. Současně silnější tepelná stratifikace snižuje vertikální promíchávání okysličené povrchové vody a vertikální ventilaci vody OMZ hlubokou konvekcí. Kwiatkowski a kol. [7] z modelů CMIP6 projektovali, že globální průměrný rozpuštěný kyslík klesne do roku 2100 přibližně o 3,5 % podle SSP5-8.5, s největšími ztrátami v tropických termoklinových vodách, kde jsou OMZ již nejintenzivnější. To odpovídá objemové expanzi hypoxické vody v hloubkovém rozsahu 200–600 m, což by dále stlačilo stanoviště dostupné pro organismy střední a horní mesopelagické zóny.

Znečištění živinami a řasové květy

V pobřežních systémech je dominantním pohonem expanze mrtvých zón eutrofizace – nadměrné obohacení vody živinami, především reaktivním dusíkem (dusičnany, amonium) a fosforem. Globální produkce reaktivního dusíku vzrostla od roku 1900 více než desetinásobně, poháněna Haber-Bosch procesem pro výrobu syntetických hnojiv a spalováním fosilních paliv (které uvolňuje oxidy dusíku). Zemědělská povodí exportují do pobřežních moří mnohem více dusíku než předindustriální systémy, což vede k častějším, intenzivnějším a geograficky rozsáhlejším hypoxickým událostem. Diaz a Rosenberg [2] zjistili, že počet pobřežních mrtvých zón se exponenciálně zvýšil mezi lety 1960 a 2008, z méně než 10 zdokumentovaných celosvětově na více než 400 – trajektorie růstu přímo korelovala s výrobou syntetických hnojiv a depozicí dusíku.

Hypoxické prahy: Co snese biologie

Kanonický ekologický hypoxický práh je 2,0 mg O₂ L⁻¹ (62,5 μmol kg⁻¹). Pod touto koncentrací většina demersálních ryb (druhy žijící při dně, jako jsou tresky, platýsi a kanici) oblast opustí, nebo pokud nemohou uniknout, zemřou. Pohybliví bezobratlí – krevety, krabi, humři – se pokoušejí migrovat, ale často jsou uvězněni rozsahem hypoxické zóny. Přisedlí bezobratlí – houby, mlži, ostnokožci – nemohou uniknout a umírají na místě, někdy při velkolepých událostech hromadného úhynu. Pod 0,5 mg L⁻¹ mohou přežít pouze někteří specializovaní mnohoštětinatci a anaerobní bakterie. Sweetman a kol. [6] zhodnotili dopady na hlubokomořské bentické komunity a poznamenali, že i subletální hypoxie – koncentrace kyslíku mezi 2,0 a 4,0 mg L⁻¹ – snižuje rychlost růstu, reprodukční výkon a imunitní funkci u bentických bezobratlých, čímž ohrožuje odolnost komunity dlouho předtím, než dojde k masovým úhynům.

• Nad 4,0 mg L⁻¹: Normální funkce pro většinu mořské fauny. Minimální rozpuštěný kyslík pro většinu druhů ryb korálových útesů.
• 2,0–4,0 mg L⁻¹ (subletální hypoxie): Snížený růst, reprodukce a imunitní funkce. Mnoho ryb se těmto hloubkám vyhýbá.
• Pod 2,0 mg L⁻¹ (hypoxie): Hromadný úhyn ryb a bezobratlých; ekologická mrtvá zóna. Standardní práh pro vyhlášení mrtvé zóny.
• Pod 0,5 mg L⁻¹ (těžká hypoxie/anoxie): Prakticky absence makrofauny; společenstva bakteriálních rohoží se sírou. Možná produkce sirovodíku při úplné anoxii.

Ekologické důsledky

Stlačení stanoviště a efekt tlaku

Jak se OMZ rozšiřují směrem vzhůru (k povrchu), komerčně důležité a ekologicky významné druhy – včetně tuňáka žlutoploutvého, marlina modrého, mahi-mahi a řady velkých olihní – jsou stlačovány do tenčích, dobře okysličených povrchových vrstev. Tento „tlak na stanoviště“ byl empiricky zdokumentován pomocí dat z elektronického značení tuňáků ve východním tropickém Pacifiku, kde OMZ nyní omezuje potápěčské chování na horních 100 m. Pro potápěče může tento kompresní efekt vytvářet velkolepé shluky pelagické megafauny poblíž povrchu – ale tyto shluky signalizují ekologický stres, nikoli hojnost. Také zvyšují zranitelnost ryb vůči povrchovým lovným šňůrám, což potenciálně urychluje nadměrný rybolov již ohrožených populací.

Zhroucení a obnova bentických společenstev

Události v mrtvých zónách komplexně ničí bentické komunity. Diaz a Rosenberg [2] odhadli, že mrtvé zóny ročně usmrtí miliardy bentických bezobratlých jen na šelfu Mexického zálivu, s přímými ekonomickými ztrátami pro komerční rybolov měkkýšů a krevet ve výši stovek milionů dolarů ročně. Obnova bentických společenstev po hypoxických událostech závisí na intenzitě, trvání události a dostupnosti larev z okolních okysličených oblastí. Po jediné mírné události se obnova může začít během několika týdnů, jakmile se kyslík vrátí a pohyblivé organismy se přesunou z okrajů. Po opakované nebo prodloužené anoxii – jako v hlubokých baltských pánvích – může obnova vyžadovat desítky až stovky let, zejména pokud se sediment stal sirovodíkovým.

Mrtvé zóny jsou nyní vážným globálním environmentálním problémem, srovnatelným významem se ztrátou biodiverzity a změnou klimatu, se schopností zásadně změnit pobřežní a oceánské ekosystémy.

— Diaz & Rosenberg, Science, 2008 [2]

Co potápěči zažívají v oblastech OMZ a mrtvých zón

Sportovní potápěči se málokdy setkávají s hlavními vodami OMZ přímo, protože ty se obvykle nacházejí pod hloubkami pro sportovní potápění (pod 200 m). Ekologické dopady jsou však viditelné v horním vodním sloupci: neobvyklé shluky ryb a olihní u hladiny nad okraji stoupajících OMZ; zjevný nedostatek některých demersních druhů na svazích kontinentálního šelfu; absence rozmanitých společenstev hub a lilijic, které prosperují tam, kde okysličená voda ventiluje stěny podmořských hor. V mělkých pobřežních mrtvých zónách mohou potápěči, kteří se v létě vydají do stratifikovaných baltských fjordů, vod sousedících s Chesapeakskou zátokou nebo na severní šelf Mexického zálivu, v hloubce zaznamenat charakteristický zápach sirovodíku – výsledek metabolismu bakterií redukujících síran v naprosto anoxických dně uložených sedimentech. Viditelnost se v mrtvých zónách často hroutí, protože bakteriální rohože a částečky organické hmoty zvyšují zákal.

Politika, obnova a dlouhá cesta zpět

Akční plán HELCOM pro Baltské moře, přijatý v roce 2007, stanovil závazné národní cíle pro snížení živin a přinesl mírné snížení zatížení dusíkem z některých států. Monitoring ukazuje mírná zlepšení kyslíku na několika pobřežních stanicích, ale hypoxie v otevřených vodách ve středním Baltském moři zůstává závažná – protože systém má více než desetileté zpoždění mezi snížením živin a reakcí kyslíku, což odráží dlouhou dobu setrvání živin již uložených v sedimentu. Mrtvá zóna Mexického zálivu se významně nezmenší bez zásadního snížení zatížení dusíkem v povodí Mississippi z zemědělství – což je výzva, která od 90. let překonala řadu politických rámců. Předpisy IMO o balastní vodě, ustanovení MARPOL Přílohy V o mořském odpadu a nově se objevující schémata obchodování s živinami řeší některé tlaky, ale dominantní hnací síla – zemědělský odtok – zůstává do značné míry neregulovaná u zdroje.

• Snižovat množství dusíku a fosforu z zemědělství: Neúčinnější zásah proti pobřežním mrtvým zónám. Vyžaduje lepší hospodaření s živinami, krycí plodiny a pobřežní nárazníkové zóny v povodích.
• Zlepšit čištění odpadních vod: Sekundární a terciární čištění dramaticky snižuje množství dusíku a fosforu z městských oblastí.
• Obnovovat pobřežní mokřady: Mangrovy, solné bažiny a mořské tráva zachytávají suchozemský odtok živin dříve, než se dostane do otevřeného moře.
• Řídit rybolov tak, aby byla zachována funkce potravních řetězců: Zachovalé populace predátorů mohou potlačit přemnožení řas a udržet rovnováhu kyslíku na mělkých útesech.
• Snižovat emise skleníkových plynů: Jediný zásah, který řeší složku oteplování oceánu v expanzi OMZ, je hluboká dekarbonizace.

Budoucí oceán při vysokých emisích

Sweetman a kol. [6] předpokládali, že do roku 2100 by až 70 % bátialní zóny (hloubka 200–3 000 m) – oblasti chladnovodních korálů, shluků ryb na podmořských horách a hlubinných potápěčských lokalit – mohlo za scénářů vysokých emisí zažít významnou deoxygenaci, což by zásadně restrukturovalo hlubinné komunity, které jsou vědě z velké části neznámé a rekreačními potápěči zcela neprobádané. U mělčích systémů Kwiatkowski a kol. [7] projektují klesající kyslík v tropických termoklinových vodách podle všech scénářů SSP, přičemž SSP5-8.5 pohání ztráty dostatečně velké k trvalé expanzi horních hranic OMZ do mesopelagické zóny, kde se krmí komerční druhy ryb. Pro potápěčské destinace postavené na mimořádné produktivitě systémů vzestupných proudů – Galapágy, Socorro, Kokosový ostrov, Mosambický kanál – představuje shoaling OMZ další stresor navršený na termické bělení, okyselování a nadměrný rybolov, stlačující ekologickou rezervu, v jejímž rámci tyto prvotřídní potápěčské ekosystémy v současné době fungují.