Oxigén Minimum Zónák és Tengeri Holtzónák

Az Oxigén Minimum Zónák Megértése

Az OMZ-k az óceán állandó, természetesen előforduló jellegzetességei, főként a keleti trópusi Csendes-óceánon, az Arab-tengeren és a Bengáli-öbölben találhatók. Közepes mélységben (jellemzően 200–1000 m) alakulnak ki, ahol két folyamat találkozik: az intenzív biológiai oxigénigény a mikroorganizmusoktól, amelyek a felettük lévő termékeny felszíni óceánról lezúduló szerves részecskék esőjét bontják, és a gyenge szellőzés az alulról érkező jól oxigenizált mély és közepes vizek által. Az eredmény egy olyan réteg, ahol az oldott oxigén (DO) a felszíni telítettségi érték, ami ~8 mg L⁻¹, alá is csökkenhet 0,5 mg L⁻¹-re — vagy akár analitikai nullára a legintenzívebb OMZ-kban, mint például Peru és Chile partjainál a keleti trópusi Csendes-óceánon, ahol szulfidikus körülmények alakulnak ki.

Stramma 50 éves Adatsorai

Stramma és mtsai. [1] 50 évet felölelő, ismételt hidrografikus megfigyeléseket gyűjtöttek össze a trópusi Atlanti-, Csendes- és Indiai-óceánokból, és oldott oxigén idősorokat készítettek mélység szerint. Elemzésük statisztikailag robusztus alacsony oxigéntartalmú víztérfogat-növekedést tárt fel, a trópusi Atlanti-óceán OMZ-je körülbelül 4,5 millió km²-rel növekedett a periódus alatt. Az oxigénveszteség a trópusi Atlanti-óceánon 300–700 m mélységben átlagosan 0,36 μmol kg⁻¹ évtizedenként – abszolút értékben szerény, de évtizedek alatt összeadódva az oxiklin (az a határ, amely felett az oxigén elegendő a legtöbb állati élethez) felső részének mérhető sekélyesedését eredményezi. A fizikai okok közé tartozik a csökkent oxigénoldhatóság a felmelegedő óceánban (a melegebb víz egyszerűen kevesebb oldott gázt tart) és az erősebb sűrűségi rétegződés, amely gátolja az oxigenizált felszíni víz lefelé irányuló keveredését a termoclinbe.

Parti Holtzónák: Egy Eutrofizációs Történet

Míg az OMZ-k a nyílt óceán középső mélységű áramlásának jellemzői, a parti holtzónák egyértelműen antropogén jelenségek, amelyeket a tápanyag-szennyezés okoz. Amikor a folyók, melyek mezőgazdasági műtrágyákból, szennyvízkibocsátásból és fosszilis tüzelőanyag-égetés termékeként a légkörből származó nitrogénnel és foszforral telítettek, torkollanak a part menti tengerekbe, robbanásszerű fitoplanktonvirágzásokat táplálnak. Ezek a virágzások végül elpusztulnak és lesüllyednek, a hatalmas mennyiségű szerves anyag mikrobiális lebomlása pedig elhasználja az oldott oxigént az alvízben, hipoxiás vagy anoxikus körülményeket teremtve – alvíz hipoxia –, amely hetekig-hónapokig fennmarad a nyári rétegződés során, amikor a melegebb, kevésbé sűrű felszíni víz befedi a rendszert és megakadályozza a felszínről történő újraoxigenizálódást.

A Mexikói-öböl Hipoxiás Zónája

Az északi Mexikói-öböl ad otthont a Nyugati Félteke legnagyobb holtzónájának, amelyet a Mississippi-Atchafalaya folyórendszer táplál, amely az Egyesült Államok szárazföldi területének 41%-át – 1,8 millió km² mezőgazdasági területet – öntözi. Minden tavasszal az olvadó hó és a tavaszi esők nitrogéndús lefolyást mosnak ki a kukorica- és szójaföldekről a Mississippibe, amely évente körülbelül 1,5 millió tonna nitrogénnel látja el az öblöt. Nyár közepére a resultant hipoxiás zóna jellemzően 13 000–15 000 km²-t borít be a Louisiana-Texas kontinentális peremfenekéből; 2017-ben rekordot döntve 22 720 km²-t ért el. Diaz és Rosenberg [2] megjegyezte, hogy a Mexikói-öböl holtzónája a globálisan legjobban dokumentáltak közé tartozik, az 1980-as évek közepe óta végzett megfigyelések nagy interannuális változékonyságot (folyóvízhozam diktálta) mutattak, de a vízgyűjtőről érkező tápanyag-terhelés hosszú távú javulását nem.

A Balti-tenger

A Balti-tenger félig zárt medencéje, a sekély küszöbök, amelyek korlátozzák az Északi-tengerrel való cserét, és a kilenc nemzetet magában foglaló, intenzíven művelés alatt álló vízgyűjtő területe a világ leginkább eutrofizált nagy tengerévé teszi. A hipoxia a Balti-tenger nyílt vizében nem szezonális, hanem krónikus jelenség: a mély Balti-medencék közel állandó anoxikus állapotban vannak legalább a 20. század közepe óta, és a hipoxiás és euxinikus (szulfidos) terület jelentősen kiterjedt. Conley és mtsai. [4] dokumentálták, hogy a parti hipoxia – amely a korábban a nyíltvízi anoxiától védett szigetvilágokban és öblökben fordult elő – a 21. század elejére széles körben elterjedtté és példátlanná vált a Balti-tenger partjai mentén. Krapf és mtsai. [3] megállapították, hogy a nyílt Balti-tenger hipoxiás területe az utóbbi években meghaladta a 60 000 km²-t, euxinikus körülmények (teljes oxigénhiány hidrogén-szulfid képződéssel) akár 20 000 km²-t is lefedtek. Meier és mtsai. [5] gyorsult oxigénfogyasztási arányokat dokumentáltak, amelyek felerősítik a deoxigenációt – ami azt jelenti, hogy még ha a tápanyagterhelést csökkentenék is, az oxigén helyreállása több évtizeddel késne.

Az OMZ Terjeszkedésének Okai

Az Óceán Felmelegedése és Rétegződése

Az OMZ terjeszkedésének legalapvetőbb mozgatórugója az óceán felmelegedése. Az oldott gázok oldhatósága csökken a hőmérséklettel: minél melegebb a víz, annál kevesebb oxigént képes tartani telítettségben. Ahogy az óceán felszíne felmelegszik, a termoclinbe alászálló víz oxigéntartalma csökken. Ezzel egy időben, az erősebb termikus rétegződés csökkenti az oxigenizált felszíni víz lefelé irányuló keveredését és az OMZ víz felfelé irányuló szellőzését mély konvekcióval. Kwiatkowski és mtsai. [7] a CMIP6 modellekből azt prognosztizálták, hogy a globális átlagos oldott oxigén körülbelül 3,5%-kal fog csökkenni 2100-ra az SSP5-8.5 forgatókönyv szerint, a legnagyobb veszteségek a trópusi termoclin vizekben várhatók, ahol az OMZ-k már most is a legintenzívebbek. Ez a hipoxiás víz térfogatának növekedésével járna a 200–600 méteres mélységtartományban, ami tovább szűkítené a középvízi és felső-mezopelagikus szervezetek számára elérhető élőhelyet.

Tápanyag-szennyezés és Algavirágzások

A part menti rendszerekben a holtzóna terjeszkedésének fő mozgatórugója az eutrofizáció – a víz túlzott tápanyaggal, elsősorban reaktív nitrogénnel (nitrát, ammónium) és foszforral való dúsulása. A globális reaktív nitrogén termelés több mint tízszeresére nőtt 1900 óta, a Haber-Bosch folyamatnak köszönhetően a szintetikus műtrágyagyártásban és a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének (amely nitrogén-oxidokat bocsát ki) következtében. A mezőgazdasági vízgyűjtők sokkal több nitrogént exportálnak a part menti tengerekbe, mint az ipari forradalom előtti rendszerek, gyakoribbá, intenzívebbé és földrajzilag kiterjedtebbé téve a hipoxiás eseményeket. Diaz és Rosenberg [2] megállapították, hogy a part menti holtzónák száma exponenciálisan nőtt 1960 és 2008 között, a globálisan dokumentált kevesebb mint 10-ről több mint 400-ra – ez a növekedési pálya közvetlenül korrelált a szintetikus műtrágyagyártással és a nitrogén-kibocsátással.

Hipoxia Küszöbök: Amit a Biológia Tolerál

A kánonikus ökológiai hipoxia küszöb 2,0 mg O₂ L⁻¹ (62,5 μmol kg⁻¹). E koncentráció alatt a legtöbb demersális hal (fenéklakó fajok, mint a tőkehal, lepényhal és fűrészes sügér) elhagyja a területet, vagy ha nem tud elmenekülni, elpusztul. A mozgékony gerinctelenek – garnélarákok, rákok, homárok – megpróbálnak vándorolni, de gyakran csapdába esnek a hipoxiás zóna kiterjedése miatt. Az ülő gerinctelenek – szivacsok, kagylók, tüskésbőrűek – nem tudnak elmenekülni, és elpusztulnak a helyükön, néha látványos tömeges elhullás formájában. 0,5 mg L⁻¹ alatt csak bizonyos speciális soksertéjű férgek és anaerob baktériumok képesek fennmaradni. Sweetman és mtsai. [6] áttekintették a mélytengeri bentikus közösségekre gyakorolt hatásokat, és megjegyezték, hogy még a szubletális hipoxia – 2,0 és 4,0 mg L⁻¹ közötti oxigénkoncentráció – is csökkenti a bentikus gerinctelenek növekedési ütemét, szaporodási teljesítményét és immunműködését, ezzel már a tömeges elhullás előtt veszélyeztetve a közösségi ellenállóképességet.

• 4,0 mg L⁻¹ felett: Normális működés a legtöbb tengeri állat számára. A legtöbb korallzátonyhal-faj minimális oldott oxigénszintje.
• 2,0–4,0 mg L⁻¹ (szubletális hipoxia): Csökkent növekedés, szaporodás és immunfunkció. Sok hal elkerüli ezeket a mélységeket.
• 2,0 mg L⁻¹ alatt (hipoxia): Tömeges hal- és gerinctelen elhullás; ökológiai holtzóna. Standard küszöb a holtzóna bejelentéséhez.
• 0,5 mg L⁻¹ alatt (súlyos hipoxia/anoxia): Makrofauna gyakorlatilag hiánya; kén-baktérium szőnyegközösségek. Hidrogén-szulfid gázképződés lehetséges teljes anoxia esetén.

Ökológiai Következmények

Élőhely Kompresszió és Szorítási Hatás

Ahogy az OMZ-k felfelé (sekéllyé) terjeszkednek a felszín felé, a kereskedelmileg fontos és ökológiailag jelentős fajok – beleértve a sárgaúszójú tonhalat, a kék marlinot, a mahi-mahit és a nagykalmárfajokat – vékonyabb, jól oxigenizált felszíni rétegekbe szorulnak. Ezt az „élőhely-szorítást” empirikusan dokumentálták az elektronikus jelölési adatok felhasználásával a keleti trópusi Csendes-óceánon élő tonhalak esetében, ahol az OMZ mára az alámerülési viselkedést a felső 100 m-re korlátozza. A búvárok számára ez a kompressziós hatás látványos pelagikus megafauna aggregációkat hozhat létre a felszín közelében – de ezek az aggregációk ökológiai stresszre, nem pedig bőségre utalnak. Növelik a halak sebezhetőségét a felszíni hosszúhorgos halászatokkal szemben is, potenciálisan felgyorsítva az amúgy is stresszes készletek túlhalászatát.

Bentikus Közösségek Összeomlása és Helyreállítása

A holtzóna-események átfogóan elpusztítják a bentikus közösségeket. Diaz és Rosenberg [2] becslései szerint a holtzónák évente milliárdnyi bentikus gerinctelent pusztítanak el csak a Mexikói-öböl selfén, a kereskedelmi kagyló- és garnélarákhalászatra gyakorolt közvetlen gazdasági veszteségek pedig évente több száz millió dollárban mérhetők. A bentikus helyreállás a hipoxiás eseményeket követően az esemény intenzitásától, időtartamától és a környező oxigenizált területekről származó lárvák elérhetőségétől függ. Egyetlen mérsékelt esemény után a helyreállás heteken belül megkezdődhet, ahogy az oxigén visszatér, és a mozgékony szervezetek újratelepülnek a szélekről. Ismétlődő vagy hosszan tartó anoxia után – mint a mély Balti-medencékben – a helyreállás évtizedeket, sőt évszázadokat is igénybe vehet, különösen ha az üledék szulfidossá vált.

A holtzónák ma komoly globális környezeti problémát jelentenek, fontosságuk a biodiverzitás csökkenésével és az éghajlatváltozással egyenrangúan, és képesek alapvetően megváltoztatni a parti és óceáni ökoszisztémákat.

— Diaz és Rosenberg, Science, 2008 [2]

Amit a Búvárok Tapasztalnak az OMZ és Holtzóna Régiókban

A sportbúvárok ritkán találkoznak közvetlenül az alapvető OMZ vizekkel, mivel azok általában a sportbúvárkodási mélységek alatt (200 m alatt) helyezkednek el. Azonban az ökológiai hatások láthatók a felső vízoszlopban: szokatlan, felszín közeli hal- és kalmárösszegyűlések az OMZ feláramló szélei felett; bizonyos demersális fajok látszólagos hiánya a kontinentális selflejtőkön; a sokszínű szivacs- és tengerililiom-közösségek hiánya, amelyek ott virágoznak, ahol oxigenizált víz szellőzteti a víz alatti hegyek falait. Sekély parti holtzónákban a búvárok, akik nyáron rétegzett Balti-tengeri fjordokba, a Chesapeake-öbölhöz közeli vizekbe vagy az északi Mexikói-öböl selfjébe merészkednek, észlelhetik a hidrogén-szulfid jellegzetes szagát mélységben – ez a szulfátreducáló baktériumok anyagcseréjének eredménye a teljesen anoxikus fenéküledékben. A látótávolság gyakran összeomlik a holtzóna vizeiben, mivel a bakteriális szőnyegek és a szerves részecskék növelik a zavarosságot.

Politika, Helyreállítás és a Hosszú Út Vissza

A Balti-tenger HELCOM Balti-tengeri Akcióterve, amelyet 2007-ben fogadtak el, kötelező nemzeti tápanyag-csökkentési célokat tűzött ki, és mérsékelt csökkentést eredményezett egyes nemzetek nitrogénterhelésében. A monitoring apró oxigénjavulásokat mutat néhány part menti állomáson, de a központi Balti-tenger nyíltvízi hipoxiája súlyos marad – mert a rendszerben évtizedes késés van a tápanyagcsökkentés és az oxigénválasz között, ami az üledékben már beágyazódott tápanyagok hosszú tartózkodási idejét tükrözi. A Mexikói-öböl holtzónája nem fog érdemben zsugorodni a Mississippi medencéjéből származó mezőgazdasági nitrogénterhelés jelentős csökkentése nélkül – ez egy olyan kihívás, amely az 1990-es évek óta több politikai keretrendszert is meghiúsított. Az IMO szabályozások a ballasztvízre, a MARPOL V. melléklete a tengeri hulladékokra, és az új tápanyag-kereskedelmi rendszerek kezelnek bizonyos nyomásokat, de a domináns mozgatórugót – a mezőgazdasági lefolyást – nagyrészt forrásánál szabályozatlanul hagyják.

• Csökkentsük a nitrogén- és foszforterhelést a mezőgazdaságból: A leghatékonyabb beavatkozás a parti holtzónák ellen. Jobb tápanyag-gazdálkodást, takarónövényeket és parti pufferzónákat igényel a vízgyűjtő területeken.
• Javítsuk a szennyvíztisztítást: A másodlagos és harmadlagos tisztítás drámaian csökkenti a nitrogén- és foszforterhelést a városi területeken.
• Állítsuk helyre a parti vizes élőhelyeket: A mangroveerdők, a sós mocsarak és a tengeri fűágyak megfogják a szárazföldi tápanyag-lefolyást, mielőtt az eléri a nyílt tengert.
• Gazdálkodjunk a halászattal a táplálékhálózat működésének fenntartása érdekében: Az érintetlen ragadozó közösségek elfojthatják az alga túlnövekedését és fenntarthatják az oxigénegyensúlyt a sekély zátonyokon.
• Csökkentsük az üvegházhatású gázok kibocsátását: Az egyetlen beavatkozás, amely az OMZ terjeszkedésének óceáni felmelegedési komponensét kezeli, a mély dekarbonizáció.

A Jövő Óceánja Magas Kibocsátás Esetén

Sweetman és mtsai. [6] előre jelezték, hogy 2100-ra a bathyal zóna (200–3000 m mélység) – a hidegvizí korallok, a víz alatti hegyeken található halgyülekezetek és a mélytengeri búvárhelyek területe – akár 70%-át is jelentős deoxigenáció érheti magas kibocsátású forgatókönyvek esetén, alapvetően átstrukturálva azokat a mélytengeri közösségeket, amelyek nagyrészt ismeretlenek a tudomány számára és teljesen feltáratlanok a szabadidős búvárok előtt. A sekélyebb rendszerek esetében Kwiatkowski és mtsai. [7] a trópusi termoklin vizek oxigénveszteségét prognosztizálják minden SSP forgatókönyv szerint, az SSP5-8.5 forgatókönyvben olyan nagy veszteségek várhatók, amelyek az OMZ felső határának tartós kiterjedését okozzák a mezopelagikus zónába, ahol a kereskedelmi halak táplálkoznak. A feláramlási rendszerek kivételes termelékenységére épülő búvárhelyek – Galapagos, Socorro, Kókusz-sziget, Mozambiki-csatorna – esetében az OMZ sekélyedése további stresszforrást jelent a hő okozta korallfehéredés, az elsavasodás és a túlhalászás mellett, szűkítve az ökológiai mozgásteret, amelyen belül ezek a világszínvonalú búvár-ökoszisztémák jelenleg működnek.