Göllerin ve kıyı sularının yüzeyinin altında, su ekosistemlerinin sağlığında çok önemli bir rol oynayan gizli bir tortu dünyası bulunur. Bu çözünmüş besin maddelerinin çökeltilerden üstteki sulara salınması gibi nitrojen ve fosforun “bentik akışları”, su kalitesini düşüren, yaban hayatını ve rekreasyonu bozan ve mülk değerlerini azaltan alg büyümesini ve toksik zararlı alg çoğalmalarını (HAB’ler) tetikleyebilir.
Tortular doğal bir arşiv görevi görerek ekosistem sağlığına ilişkin tarihsel bilgiler sunar. Bununla birlikte, çökelti ve su arasındaki besin alışverişini tam olarak anlamak için bilim adamları, günde çökelti alanının metrekaresi başına pound cinsinden çökelti/su arayüzü boyunca taşınan nitrojen miktarı gibi bentik akış ölçümlerine güveniyorlar.
Geleneksel izleme yöntemleri yavaş, maliyetli ve zorludur ve daha yeni otonom sistemler umut verici olsa da, bu sistemlerin çökeltilerin HAB’lara nasıl katkıda bulunduğunu veya su ekosistemlerini yönetmede ve korumada önemli bir adım olan HAB’ları nasıl sürdürdüğünü nasıl ortaya çıkarabileceğini çok az çalışma araştırdı. Örneğin, Florida’nın Okeechobee Gölü’nde, bentik besin akışları, bu sığ bulanık su kütlesinde alg büyümesini besleyen baskın besin kaynağıdır.
Florida Atlantik Üniversitesi Liman Şubesi Oşinografi Enstitüsü araştırmacıları, dip çökeltileri ile üstteki su arasındaki farklı nitrojen formlarının değişimini sürekli olarak izleyen ilk kişilerdir. En önemlisi, yeni yaklaşımları, uzun bir süre boyunca, günde birkaç kez, gerçek zamanlı olarak çökeltilerden ne kadar amonyum (NH₄⁺) salındığının ölçülmesine olanak tanıyor; bu kritik besin değişiminin ve alg çoğalmasının tercih edilen besin kaynağının benzeri görülmemiş, ayrıntılı bir görünümünü sunuyor.
Gizli silahları mı? CAROSEL adı verilen yeni bir cihaz – Uzun Vadeli Sediment Değişimlerini Gözlemlemek için Chamber ARray’in kısaltması. CAROSEL, besinlerin ve diğer kimyasalların göl veya okyanus çökeltileri ile yukarıdaki su arasında nasıl hareket ettiğini incelemek için tasarlanmış akıllı bir su altı izleme sistemidir. Yalnızca tek bir bentik akı veri zaman noktası elde etmek için enstrümantasyon paketlerini dağıtmak ve almak için iki tekne (veya gemi) gezisi ve insan gücü gerektiren eski yöntemlerin aksine, CAROSEL otomatik olarak çalışır ve birkaç hafta boyunca insan yardımı olmadan her gün birden fazla ölçüm alır.
Araştırma için araştırmacılar CAROSEL’i Fort Pierce’deki FAU Harbour Branch kampüsündeki sığ bir tatlı su tutma havuzunda test etti. Amaç, hem günlük hem de çok günlük döngülerde besin ve oksijen arasındaki etkileşimi daha iyi anlamak, günün saatine ve hava durumuna bağlı olarak mevcut toplam nitrojen miktarına ilişkin daha iyi bilgiler sağlamaktı. Ancak zamanla bu havuz sisteminden uzaklaştırılan besin maddelerinin tahminleri de iyileştirildi. Florida’nın her yerinde bulunan bu tutma havuzları, eyalet düzenlemelerinin bir parçası olarak tam da bunu yapmak için kullanılan yaygın bir En İyi Yönetim Uygulamasıdır (BMP). Kıyı haliçlerine akan besin maddelerini ortadan kaldırmak.
Araştırmalarının sonuçları dergide yayınlandı Limnoloji ve Oşinografiaynı zamanda sudaki oksijen akışının günlük bir ritim izlediğini de ortaya koyuyor: gündüzleri fotosentez nedeniyle artıyor ve geceleri solunum nedeniyle azalıyor. Tersine, çökeltiler sürekli olarak üstteki sudan oksijen tüketiyordu. Çökeltiler ayrıca çalışma boyunca NH₄⁺ saldı; su sütunu ise nitrojenin gündüzleri eklendiği ve geceleri parçalandığına dair işaretler gösterdi; gün içindeki fotosentetik büyümenin besinleri tüketmesinin beklendiği göz önüne alındığında şaşırtıcı bir bulgu.
Yağmur fırtınalarından sonra hem NH₄⁺ hem de nitrat akışlarının hızla değişmesi, bu süreçlerin çevreye ne kadar duyarlı olduğunu gösterdi. Ayrıca nitrifikasyon/denitrifikasyon (bu BMP sistemlerinde arzu edilen ana proses) yoluyla nitrojen gideriminin yoğun fakat aynı zamanda zaman içinde oldukça değişken olduğu da açıktı.
Benzersiz bir şekilde, CAROSEL yüksek frekanslı, gerçek zamanlı verileri yakalayarak besin ve oksijen değişimindeki keskin, kısa vadeli dalgalanmaları ortaya çıkardı. Bu bulgular çökelti süreçlerinin yavaş veya sabit olduğu yönündeki yaygın varsayıma meydan okuyor ve CAROSEL gibi araçların su kalitesini şekillendiren gizli, dinamik güçleri nasıl ortaya çıkarabileceğinin altını çiziyor.
FAU Liman Şubesi’nde doçent araştırma profesörü ve FAU Sensing Institute (I-SENSE) üyesi kıdemli yazar Ph.D. Jordon Beckler, “En heyecan verici olan şey, CAROSEL’in bize hava durumu ve çevresel değişikliklerin gölün tabanı ile yukarıdaki su arasındaki kimyayı nasıl doğrudan etkilediğine dair ayrıntılı, saatlik bir görünüm sunmasıydı” dedi.
“Bu düzeydeki ayrıntı, göllerde ve haliçlerde meydana gelen karmaşık zincirleme reaksiyonları çözmemize yardımcı oluyor; bu, şimdiye kadar bu kadar düşük çözünürlüklü geleneksel bentik akı verileriyle yapılması inanılmaz derecede zor olan bir şey. Bu teknolojiyi, özellikle son birkaç on yılda küresel olarak zararlı alg çoğalmalarındaki patlama göz önüne alındığında, bu akışların ekosistem dinamiklerini nasıl yönlendirdiğini anlamak için güçlü ve yeni bir araç olarak görüyoruz.
“Dünya yüzeyinin yaklaşık %70’ini kaplayan çökeltileri bir sonraki su, toprak veya hava olarak görüyorum; bunların sağlığı ve korunması konusunda zaten bir takdir geliştirdik.”
Bu ayrıntılı görünüm, bilim adamlarının besinlerin ne kadar hızlı döndüğünü ve ışık, sıcaklık ve fırtınalar gibi faktörlerin bu değişiklikleri nasıl yönlendirdiğini anlamalarına yardımcı olacak; bu da su kalitesinin izlenmesi ve yönetiminin iyileştirilmesinde kilit rol oynayacak. CAROSEL, değişen çevresel koşullar altında besin kirliliği, HAB’ler, düşük oksijenli “ölü bölgeler”, karbon döngüsü ve hatta organik ve ağır metal kirleticiler gibi sorunları izlemek ve bunlara yanıt vermek için bir araç olarak güçlü bir potansiyel göstermektedir.
FAU Liman Şubesi’nin ilk yazarı ve lisansüstü araştırma asistanı Mason Thackston, “CAROSEL’i özellikle değerli kılan şey, çok yönlülüğüdür; hem tatlı su hem de deniz ortamlarında çalışmak üzere tasarlanmıştır ve amonyum ve nitrat gibi besin maddelerinden karbondioksit veya çözünmüş organik karbon gibi diğer parametrelere kadar çok çeşitli maddeleri izlemek üzere uyarlanabilir. CAROSEL’i bugün piyasada bulunan tüm su altı sensörlerini kabul edecek şekilde özel olarak tasarladık” dedi.
“Bu esneklik, sistemi farklı ekosistemlere ve araştırma ihtiyaçlarına göre uyarlayabileceğimiz anlamına geliyor. Şu anda iki yeni projeye hazırlanıyorum; biri Kuzey Hindistan Nehri Lagünü’nde taranması planlanan bir alanda bentik besin akışları için bir temel oluşturmak, diğeri ise Okeechobee Gölü’ndeki eski besin akışlarını doğrudan izlemek. Ayrıca şu anda beklentilere göre düşük performans gösteren Florida’daki BMP’lerin besin dinamikleri hakkındaki anlayışımızı geliştirmek için büyük umutlar görüyoruz.”
Çalışmanın ortak yazarları Analytical Instrument Systems, Inc.’in başkanı Donald Nuzzio, Ph.D.; ve FAU Liman Şubesi’nde makine mühendisi olan Csaba Vaczo.
