Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Virginia Tech'deki tatlı su bilim insanları oluşan bir ekip, yedi yıl boyunca tüm ekosistemi kapsayan bir çalışma ile bir sonraki aşamaya geçerek şu soruyu sordu: Oksijenin küresel olarak azalması su kalitesi için ne anlama gelmektedir?

Tortu ile yapışkan olan göllerin dip suları, en derin ve en karanlık katmanından daha fazlasıdır. Göllerin dip suları karadan gelen akıntıda bulunan karbon, nitrojen ve fosforun büyük kısımlarını gömer. Tatlı su bilimcisi Cayelan Carey, doğanın kritik besin çökeltilerinden biri olan göllerin çevreleri için “bekçiler” olarak ünlerini kazandıklarını söyledi.

Virginia Tech College of Science'da biyolojik bilimlerde ve Fralin Yaşam Bilimleri Enstitüsü'ne bağlı bir bilim insanı olan Doç. Cayelan Carey, “Gölleri bekçiler olarak düşünmekteyiz, çünkü karada meydana gelen tüm değişiklikleri gerçekten entegre etmektedirler. Göller, tüm bu karbon, nitrojen ve fosforu alıp işlemek, onların aşağı inip okyanusa ulaşmasını engellemek için gerçekten harika bir iş çıkarmaktadırlar” dedi.

Öte yandan Carey'nin ekibi, 25 Mayıs 2022'de Global Change Biology dergisinde yayınlanan bir çalışmada, anoksi yani oksijen mevcudiyeti kaybı nedeniyle bu çalışmanın ortadan kaldırılabileceğini buldu. Bilim insanları tarafından yıllardır korkulan ve son zamanlarda yüzlerce gölden elde edilen verilerle yaygın olduğu doğrulanan anoksi, Dünya’nın tatlı sularından oksijen emiyor.

College of Science'da (ortada) biyolojik bilimlerden Doç. Cayelan Carey, yüksek lisans öğrencileri Jonathan Doubek (solda) ve Ryan McClure (sağda) ile birlikte Falling Creek Rezervuarı'ndaki demir ve manganez konsantrasyonlarının analizi için su örneklerini filtrelemek için çalışıyor. Kaynak: Virginia Tech

Bu, iklim değişikliğinin neden olduğu suların ısınmasıyla ve arazi kullanımından kaynaklanan aşırı kirletici akışıyla bağlantılı bir olgudur. Isınan sular, tatlı suyun oksijen tutma kapasitesini azaltırken; akıştaki besinlerin tatlı su mikropları tarafından parçalanması oksijeni yutar. 

Yakındaki bir gölün dip sularındaki oksijen seviyelerini manipüle eden yedi yıllık bir saha deneyinde Carey'nin ekibi, anoksik koşullarda bekledikleri etkilerin ortaya çıktığını buldu: Tortular çok fazla besin ve karbon salıyordu, ama değişikliklerin boyutuna o kadar da hazırlıklı değillerdi. Gölün batarak – dışarıya verdiğinden daha fazla besini ve karbonu tutan - aşağı akıştaki bir besin kaynağına gittiğini ve bir göldeki anoksinin diğerinde de anoksiye yol açabileceği bir döngü başlattığını gözlemlediler.

Carey, “Su kimyasında bu kadar değişiklik olacağını beklemiyordum. Ayrıca bunu tutarlı bir şekilde görmek ve çalışmada yedi yılı boyunca görmek… Anoksinin etkisi, başlangıçta tahmin ettiğimden çok daha büyüktü" dedi.

Tatlı su ve veri bilimini birleştirme

Bu keşifleri yapmak, ekibin birkaç yönden yeni olan bir deney tasarımına dayanmaktadır. Öncelikle tüm ekosistem ölçeğinde yapılmalıydı, yalnızca laboratuvarda veya gölün dip sularının küçük muhafazalarında test edilen örneklerle değil; tüm su kütlesine erişimle yürütülmeliydi. Carey'in ekibi, Vinton, Virginia'daki Falling Creek Rezervuarı’nda saha deneyi yaptı. Burası ekip üyelerinin, suyu dipten çekebilen mühendislik ürünü bir oksijenasyon sistemi kullanarak gölün dip sularındaki oksijen seviyelerini manipüle ettiği yerdi. Ekip yaptığı saha çalışmasında, çözünmüş oksijeni karada süper doymuş konsantrasyonlarda enjekte etti ve oksijenli suyu su sıcaklığını değiştirmeden dibe geri döndürdü.

Carey’nin yaptığı açıklamaya göre, yalnızca dip sularındaki oksijen seviyelerini manipüle etmek, böylece değişen sıcaklıktaki etkilerden ayırmak, anoksinin etkisini anlamak için çok önemli. Carey, "Sıcaklığı değiştirmeden oksijeni manipüle ederek etkilerinin ne olacağını anlayabilir ve izole edebiliriz. Gördüklerimizin, gölde meydana gelen diğer yabancı faktörlerden dolayı değil, değişen oksijenin bir sonucu olduğunu söyleyebiliriz” dedi.

Ancak anoksinin etkilerini analiz etmek, oksijen seviyelerini yükseltmek veya düşürmek ve su kimyasını izlemekle bitmiyor. Carey, bir saha deneyi ile her zaman ihtiyaç duyduğunuz, ancak toplayamayacağınız veriler olduğunu da belirtti. Sahada onları rahatsız etmeden "bu öz-kumlu tortu-su etkileşimlerini" örneklemek ve ölçmek zordur. Bir de lojistik sorunu var: Carey yedi yaz boyunca her gün veri toplaması için birini gönderemedi.

Böylece ekip, topladığı verileri Carey'nin bu önemli, ama zor etkileşimleri simüle eden bir "gölün video oyunu" olarak tanımladığı bir modele dönüştürdü. Carey, "Video oyununun içinde gölün yüksek oksijen seviyelerine kıyasla düşük oksijen seviyelerine sahip olduğunda hangi süreçlerin en önemli olduğunu anlayabilmek adına manipüle edebileceğimiz bir dizi denklem vardı" dedi.

Model ayrıca ekibin her saat veri almasını da sağladı. Carey, gölün oksijendeki değişikliklere ne kadar hızlı tepki verdiğini anlamaları için önemli olduğunu belirtti.

Rol değişimi

Araştırmacılar, dışarıya nitrojen veriminde altı kat artış da dahil olmak üzere anoksili dip sulardan salınan besin konsantrasyonlarında büyük değişiklikler gözlemlediler. Zamanla göl, net bir fosfor ve karbon havuzundan, akış yönünde su kütlelerine kadar her iki besin maddesinin de net kaynağına dönüştü.

Carey, "Gördüğümüz şey, gölün bu karbon, azot ve fosfor havuzu olarak hizmet etme konusundaki önemli görevini yerine getiremediğiydi. Değişiklikler her üç unsur için ayrı ayrı gerçekten dikkat çekiciydi, ama toplu olarak gölün bu ‘lavabo’ olarak hizmet etme yeteneğinin gerçekten değiştiğini gördük" dedi.

Carey’nin açıklamalarına göre tüm bu karbon, nitrojen ve fosfor, bir kez dibe gömüldükten sonra, yalnızca zehirli alg oluşumlarını besleyen, tatlı su vahşi yaşamına zarar veren ve içme suyu kaynakları olarak rezervuarları tehlikeye atan su sütununa salınmakla kalmadı; aynı zamanda besinler aşağı doğru taşındı. Anoksiyi doğuran anoksinin kısır döngüsü burada yatar: Diğer göllere, nehirlere ve akarsulara daha fazla besin ulaştıkça, her su kütlesinin mikropları onları parçalamak için daha fazla oksijen tüketecektir.

Carey, bu etkinin ciddiyetini bilmenin bizi arazi kullanımı konusunda harekete geçirmesi gerektiğine inanıyor. Carey, "Çalışmamız, yukarı havzadaki göllerin aşağı havzadaki göllere zarar verdiği bu mekanizmayı ortaya koyuyor ve bu geniş çapta devam ediyorsa o zaman temelde gölleri daha fazla fosfor, gübre ve tortu almaktan korumak için elimizden gelen her şeyi yapmalıyız. Bu süreçler bizim bilmediğimiz bir şekilde yaşanıyor” dedi.

Makale: “Anoxia decreases the magnitude of the carbon, nitrogen, and phosphorus sink in freshwater” by Cayelan C. Carey, Paul C. Hanson, R. Quinn Thomas, Alexandra B. Gerling, Alexandria G. Hounshell, Abigail S. L. Lewis, Mary E. Lofton, Ryan P. McClure, Heather L. Wander, Whitney M. Woelmer, B. R. Niederlehner and Madeline E. Schreiber, 25 May 202, Global Change Biology.
DOI: 10.1111/gcb.16228