Des laboratoires robotiques au fond du lac Érié ont révélé que les sédiments boueux y libèrent presque autant de phosphore nutritif dans les eaux environnantes qu'il pénètre chaque année dans le bassin central du lac à partir des rivières et de leurs affluents.

Phosphore excessif, provenant en grande partie de sources agricoles, contribue à la prolifération estivale annuelle de cyanobactéries qui afflige le bassin ouest du lac Érié et la « zone morte » annuelle du bassin central, " une région pauvre en oxygène qui recouvre plusieurs milliers de kilomètres carrés de fond de lac et qui réduit l'habitat des poissons et d'autres organismes.

Le rejet de phosphore des sédiments du lac Érié pendant les périodes de faible teneur en oxygène, phénomène connu sous le nom d'autofécondation ou de chargement interne, est reconnu depuis les années 1970. Mais la nouvelle étude dirigée par l'Université du Michigan marque la première fois que le processus est surveillé étape par étape pendant une saison entière à l'aide de capteurs de fond de lac.

Les auteurs de la nouvelle étude, publié en ligne le 18 février dans la revue Sciences et technologies de l'environnement Eau , disent que l'autofécondation augmente probablement la gravité de la zone morte du bassin central du lac Érié et pourrait la rendre plus difficile à contrôler à l'avenir, que le climat continue de se réchauffer.

"Jusqu'à maintenant, nous manquions de preuves pour déterminer quand et où ce phénomène se produit dans le lac Érié et dans quelle mesure il contribue aux nutriments dans le lac, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Hanna Anderson, un technicien de recherche à l'Institut coopératif de recherche sur les Grands Lacs de l'U-M qui a effectué le travail d'une thèse de maîtrise à l'École pour l'environnement et la durabilité.

"Ces nouvelles mesures nous ont permis d'estimer que ce processus d'autofécondation contribue jusqu'à 11, 000 tonnes de phosphore dans l'eau du lac chaque été, une quantité proche du ruissellement annuel total de phosphore des rivières et affluents dans la partie centrale du lac, " a déclaré Casey Godwin, chercheur adjoint à l'institut et co-auteur de l'article.

Les efforts pour contrôler la pollution par les éléments nutritifs du lac Érié, ou eutrophisation, se sont concentrés sur la réduction de la quantité de ruissellement riche en phosphore provenant des fermes et d'autres sources qui se déversent dans le lac à partir des rivières et de leurs affluents. En 2016, les gouvernements américain et canadien ont adopté un objectif de réduction du phosphore de 40 %.

Les auteurs du nouveau Sciences et technologies de l'environnement Eau Selon une étude, l'autofécondation par le phosphore (P) libéré par les sédiments du fond des lacs doit également être prise en compte.

« Les gestionnaires de l'environnement chargés de la réduction de la charge des affluents doivent prendre en compte les estimations de charge interne lorsqu'ils déterminent comment équilibrer la charge P totale, ", ont-ils écrit. "La charge historique et persistante de P dans les sédiments représente une réponse retardée du lac à l'eutrophisation et empêche la gestion réussie d'un système lorsque seule la charge externe de P est prise en compte."

En plus de plusieurs scientifiques U-M, les auteurs de l'article comprennent des chercheurs du laboratoire de recherche environnementale des Grands Lacs de la National Oceanic and Atmospheric Administration. Les scientifiques de l'UM et le personnel de la CIGLR collaborent avec la NOAA GLERL sur un certain nombre de projets comme celui-ci.

Les chercheurs ont déployé deux petits laboratoires autonomes sur des sites de fond de lac dans le bassin central du lac Érié, l'un à une profondeur de 67 pieds et l'autre à une profondeur de 79 pieds, fin juillet 2019 et les y ont laissés pendant plus de deux mois.

Les laboratoires de chimie autonomes, fabriqué par SeaBird Scientific et détenu par les collaborateurs de l'équipe NOAA, sont des cylindres de 22 pouces de long et 7 pouces de large. Les laboratoires et leurs batteries ont été placés à l'intérieur d'un cadre de protection en acier qui a été abaissé de la poupe d'un navire. La cage métallique était attachée à un poids de 150 livres et à deux flotteurs blancs qui l'empêchaient de toucher le fond.

Les analyseurs autonomes étaient programmés pour mesurer les concentrations de phosphore dans l'eau toutes les six heures. Ils ont également surveillé la température de l'eau et les niveaux d'oxygène dissous. Plus de 300 mesures de phosphore ont été effectuées sur chaque site avant la récupération des appareils début octobre.

Cet ensemble de données auparavant impossible à obtenir a donné des résultats surprenants.

Par exemple, des études antérieures avaient suggéré que les nutriments commencent à s'écouler des sédiments de fond de lac lorsque les concentrations d'oxygène dissous dans les eaux environnantes chutent à des niveaux très bas, une condition appelée hypoxie.

Mais les robots de chimie ont montré que le flux de phosphore n'a pas commencé pendant l'hypoxie, même lorsque les niveaux d'oxygène sont tombés en dessous du point où les poissons peuvent survivre.

Au lieu, le « flux positif de P » des sédiments a commencé 12 à 24 heures après que les niveaux d'oxygène dissous dans l'eau du fond du lac sont tombés à zéro, une condition appelée anoxie. Aux deux sites du bassin central du lac Érié, cette période a commencé à la fin de l'été et s'est poursuivie jusqu'au début d'octobre.

"Dans les 24 heures suivant la disparition complète de l'oxygène, nous avons enregistré une augmentation rapide du phosphore dans l'eau, et cela a continué jusqu'à ce que la concentration au fond du lac soit plus de cent fois plus élevée qu'à la surface, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Thomas Johengen, directeur de l'Institut coopératif de recherche sur les Grands Lacs de l'U-M.

"Nos découvertes sur le moment de la libération de phosphore par rapport aux niveaux d'oxygène dans l'eau sont les premières du genre pour les Grands Lacs et représentent une nouvelle application de cette technologie, " a déclaré Johengen.

Sachant quand la libération de phosphore a commencé, le débit des sédiments, et la durée de la période anoxique a permis aux chercheurs d'estimer la quantité totale de phosphore ajoutée au bassin central du lac Érié chaque année en raison de la charge interne.

Les chercheurs ont estimé que les sédiments du fond des lacs d'Érié libèrent annuellement entre 2, 000 et 11, 500 tonnes de phosphore. L'extrémité supérieure de cette fourchette correspond à l'apport annuel approximatif de phosphore dans le bassin central du lac Érié en provenance des rivières et des affluents :10, 000 à 11, 000 tonnes métriques.

Le phosphore libéré est sous une forme facilement disponible appelée phosphore réactif soluble, ou SRP, qui alimente probablement la croissance des algues du bassin central. Quand ces algues meurent et coulent, les bactéries décomposent la matière organique et consomment de l'oxygène dans le processus. Le résultat :une région pauvre en oxygène dans les eaux du fond et près du fond du bassin central connue sous le nom de zone morte.

« La charge interne de phosphore provenant des sédiments de fond de lac peut devenir une boucle de rétroaction positive :l'hypoxie entraîne la libération de P des sédiments, ce qui provoque plus de croissance d'algues, et les algues mortes et mourantes consomment l'oxygène de l'eau et contribuent à l'hypoxie l'été suivant, " a déclaré Godwin.

« Ce type de rétroaction a été observé dans les lacs du monde entier, et il interagit avec les efforts en cours pour réduire les charges de phosphore des affluents du lac Érié, " il a dit.

Alors que les Grands Lacs continuent de se réchauffer dans les années à venir en raison du changement climatique d'origine humaine, La zone morte du bassin central du lac Érié devrait se former plus tôt et durer plus longtemps chaque année, résultant en un plus grand apport de phosphore libéré des sédiments, selon les auteurs de l'étude.

La présente étude démontre le potentiel d'utiliser des laboratoires robotiques pour surveiller ces changements, ainsi que tout changement pouvant survenir en raison de la diminution du débit d'éléments nutritifs dans le lac Érié à partir des rivières et des affluents, selon les auteurs. La charge interne provenant des sédiments du bassin central n'a probablement pas d'incidence sur la gravité des proliférations d'algues du bassin ouest du lac Érié, selon les chercheurs.

"La mission de la NOAA dans les Grands Lacs comprend l'observation, comprendre et prévoir les événements importants tels que la charge interne. Très souvent, le développement et l'application d'une technologie de pointe comme celle-ci peuvent confirmer une hypothèse ou fournir un nouvel aperçu qui était auparavant impossible, " a déclaré le co-auteur de l'étude Steve Ruberg, scientifique principal au Laboratoire de recherche environnementale des Grands Lacs de la NOAA.

"Ce résultat d'observation important contribuera à la collaboration de la NOAA avec le bureau du programme national des Grands Lacs de l'EPA dans le cadre de l'Accord sur la qualité de l'eau des Grands Lacs, améliorer considérablement notre compréhension de la charge de phosphore de la zone hypoxique et de l'impact subséquent sur l'écosystème du lac Érié, ", a déclaré Ruberg.