В следовых количествах (менее 0,02 частей на миллион) фосфор действительно полезен для водных систем. Он стимулирует рост водорослей и других растений, обеспечивая здоровую среду обитания для рыб и других водных организмов. Однако, когда слишком много фосфора попадает в водные пути, может произойти чрезмерный рост водорослей, что приведет к истощению растворенного кислорода, который может убить водную жизнь.
Кроме того, цветение цианобактерий может выделять токсины, угрожающие водоснабжению."Историческое применение навоза и удобрений привело к накоплению уровней фосфора во многих наших сельскохозяйственных почвах — часто в разы выше и выше того, что необходимо для сельскохозяйственных культур, — что затем делает избыточный фосфор уязвимым для потерь при микробных процессах и других гидрологических и биогеохимических факторах. в игру », — сказал Энтони Буда, гидролог-исследователь Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США (USDA).Чтобы бороться с этой проблемой, исследователи из Пенсильванского университета в сотрудничестве с Корнеллом, Университетом Центрального Мичигана и Министерством сельского хозяйства США пытаются лучше понять, как различные виды взаимодействий влияют на подвижность фосфора в сельскохозяйственных почвах и ручьях.
Эти результаты затем могут быть использованы для разработки методов более эффективного контроля потерь фосфора в сельскохозяйственных средах.«Мы пытаемся понять две группы бактерий, которые могут повлиять на то, удерживается ли фосфат в почве или становится подвижным и попадает в воду», — сказал Джон Риган, профессор экологической инженерии Пенсильванского университета и ведущий директор проекта.Чтобы лучше понять, как микробы влияют на миграцию фосфора в наши водные пути, исследователи объединили полевой мониторинг в Махантанго-Крик, небольшом высокогорном сельскохозяйственном водоразделе, управляемом Министерством сельского хозяйства США, с лабораторными испытаниями, включающими эксперименты с почвенным столбиком, проведенные в штате Пенсильвания. Эксперименты направлены на оценку роли двух конкретных видов бактерий — диссимиляционных железоредуцирующих бактерий (DIRB) и организмов, накапливающих полифосфаты (PAO) — в круговороте фосфора в почвах.
На испытательном полигоне Министерства сельского хозяйства США исследователи изучают роль микробов в подвижности фосфора в естественной среде.
«Известно, что микробы, влияющие на подвижность фосфора, существуют и используются на некоторых очистных сооружениях для уменьшения количества фосфора в воде, покидающей завод», — сказала аспирантка экологической инженерии Миранда Стоктон.Исследователи определили присутствие этих микроорганизмов в сельскохозяйственных почвах, но пока не знают, какое влияние они оказывают на подвижность фосфора в этом контексте.В лаборатории исследователи разработали контролируемые эксперименты, в которых они инокулируют колонки почвы Shewanella oneidensis (тип DIRB) и ПАО, полученным на местной станции очистки сточных вод.«Мы отслеживаем химический состав воды и почвы в дополнение к изменениям в микробных сообществах, чтобы мы могли лучше понять вклад этих двух групп бактерий в круговорот фосфора в контролируемой системе», — сказала доктор-исследователь Клаудиа Рохас.
Эти два типа бактерий важны для подвижности фосфора по ряду причин.
Первый вид бактерий, DIRB, использует железо для «дыхания», которое затем может вызвать выделение фосфора.«Когда почва насыщается водой, концентрация кислорода в воде снижается», — сказал Риган. «Некоторые бактерии могут дышать, используя железо в почве, и когда они это делают, они высвобождают фосфор, который прилип к железу, делая его подвижным». Исследователи надеются определить условия, способствующие этому процессу.Бактерии второго типа, ПАО, могут накапливать фосфор внутри своих клеток в высоких концентрациях.
Они также могут разрушить эти запасы фосфора и высвободить фосфат.«У них есть метаболизм, который циклически переключается между накоплением и высвобождением фосфора», — сказал Риган. «Они в основном накапливают фосфор, когда в почвенной воде есть кислород, и выделяют фосфор, когда воде не хватает кислорода».
В ручьях, на которые воздействует перелив фосфора, на дне ручья образуется скользкий рост микробов, называемый биопленкой. Внутри этой биопленки бактерии ежедневно подвергаются аэробному и анаэробному состоянию — набирая и испытывая недостаток кислорода.
«Мы хотим увидеть, есть ли в биопленке микробы, которые могут поглощать и выделять фосфор в этих циклических условиях», — сказал Риган. «Пока что мы обнаружили, что там много ПАО».Риган сказал, что было проведено множество исследований, которые моделируют и отслеживают подвижность фосфора в почве, но они не учитывают роль, которую бактерии сыграли в этом движении.«Мы знаем, что эти бактерии существуют, мы знаем, что они влияют на подвижность фосфора, и на этом наши знания заканчиваются», — сказал Риган.«Никто не изучал, насколько их много, какова скорость реакций или насколько изменяется концентрация фосфора, когда эти бактерии могут расти, поэтому мы действительно проливаем свет на этот черный ящик, чтобы выяснить, что за бактерии делают."
Как только исследователи выяснят, как именно и в какой степени бактерии влияют на высвобождение фосфора, они могут включить эти микробные процессы в свои модели и разработать инструменты прогнозирования, которые могут отображать их по водосборам на основе их взаимоотношений с местной гидрологией.«Инженер во мне хочет уменьшить эту проблему», — сказал Риган. «Но прежде чем мы сможем разработать стратегии для этого, мы должны понять роль и механизмы этих микробных реакций».