Influence of Flow Regulation on Phytoplankton Biomass and Composition Along the Salinity Ecocline: Caloosahatchee River Estuary, Florida, USA​

Het water waar een rivier de zee ontmoet, is een plek van constante onderhandeling. Zoet water uit het land duwt tegen het zoute water van de oceaan, waardoor een verschuivende grens ontstaat waar de chemie van het water van de ene naar de andere kant verandert. Deze grens, bekend als een saliniteitsgradiënt, fungeert als een filter voor de microscopische planten die in de stromingen drijven. Sommige van deze planten, genaamd fytoplankton, gedijen alleen in zoet water, terwijl andere zout nodig hebben. Wanneer de balans van het water verandert, verandert de gemeenschap van planten mee. In veel gebieden wordt dit natuurlijke ritme verstoord door menselijk beheer. Dammen en kanalen controleren hoeveel zoet water er in de estuarium stroomt, waarbij de natuurlijke natte en droge seizoenen vaak worden genegeerd. Deze regulatie kan ervoor zorgen dat voedingsstoffen in het water gevangen blijven of er te snel uit worden gespoeld, wat omstandigheden creëert waarin bepaalde planten ongecontroleerd kunnen groeien. Wanneer deze microscopische planten zich snel vermenigvuldigen, vormen ze bloeiperiodes (blooms). Sommige van deze bloeiperiodes zijn onschadelijk, maar andere produceren gifstoffen die vissen kunnen doden, dieren ziek kunnen maken en het water gevaarlijk kunnen maken voor mensen. Begrijpen hoe de waterstroom deze bloeiperiodes controleert, is essentieel voor het beschermen van kustecosystemen.

In het Caloosahatchee River Estuary in Florida zetten onderzoekers zich in om te begrijpen hoe het beheer van de waterstroom invloed heeft op deze microscopische gemeenschappen. Het estuarium is verbonden met Lake Okeechobee, een groot meer ten oosten dat rijk is aan voedingsstoffen en regelmatig te maken krijgt met bloeiperiodes van giftig blauwgroene algen. Een kanaal, bekend als de C-43, voert water van het meer naar de rivier. Op het punt waar het kanaal het estuarium ontmoet, fungeert een grote waterregelstructuur, de S-79, als een sluis. De U.S. Army Corps of Engineers en lokale waterbeheerders beslissen wanneer ze deze sluis openen en hoeveel water ze vrijlaten. Het doel is vaak om overstromingen te voorkomen of om water te leveren voor de landbouw, maar deze beslissingen hebben diepgaande gevolgen voor de biologie van het estuarium. De onderzoekers wilden weten of het veranderen van de hoeveelheid water die uit deze sluis wordt vrijgelaten, de soorten microscopische planten kan veranderen die het water domineren en of het het risico op schadelijke bloeiperiodes kan verminderen.

Om de antwoorden te vinden, bekeken het team gegevens die werden verzameld over drie afzonderlijke perioden tussen 2009 en 2024. Ze namen monsters van het water op acht verschillende locaties, reikend van de kanaalsluis tot aan de open Golf van Mexico. Op elke plek maten ze de zoutheid van het water, de hoeveelheid voedingsstoffen en de soorten en aantallen microscopische planten die aanwezig waren. Ze vergeleken perioden met een lage of matige waterstroom met perioden met een hoge waterstroom. De studie onthulde dat de hoeveelheid water die uit het kanaal wordt vrijgelaten fungeert als een schakelaar die het hele ecosysteem verandert.

Wanneer de waterstroom laag of matig was, duwde het zoute water uit de Golf verder de rivier op. Dit creëerde een brakke zone, een mengsel van zoet en zout water, in het bovenste deel van het estuarium. Onder deze omstandigheden groeide een specifiek type microscopische plant genaamd een dinoflagellaat, bekend als Akashiwo sanguinea, uit tot massale bloeiperiodes. Deze plant is een generalist die een breed scala aan zoutgehalten kan verdragen. Tijdens de jaren met een lagere doorstroming werden deze bloeiperiodes zo dicht dat ze het water een dikke, melkachtige kleur gaven en in sommige gevallen de zuurstofniveaus in het water gevaarlijk laag lieten dalen, wat een bedreiging vormde voor vissen en ander marien leven.

Omgekeerd, wanneer de waterstroom hoog was, duwde het zoete water uit het kanaal het zoute water terug naar de oceaan. Dit breidde de zoetwaterzone ver beneden de rivier uit. Onder deze omstandigheden werd het bovenste deel van het estuarium gedomineerd door blauwgroene algen, specifiek dezelfde giftige soorten die vaak in Lake Okeechobee voorkomen. Deze planten, waaronder Microcystis aeruginosa, worden via het kanaal meegevoerd en gedijen in het zoete water. Wanneer de stroom hoog is, worden ze diep het estuarium in getransporteerd, waarbij ze hun gifstoffen meebrengen. De studie vond dat hoge debieten ook grote hoeveelheden voedingsstoffen naar de Golf van Mexico voerden. Deze instroom van voedingsstoffen, gecombineerd met het warme water en de verstoring door stormen zoals orkanen, voedde intense bloeiperiodes van de rode alg Karenia brevis in de kustwateren nabij de monding van de rivier.

De onderzoekers observeerden dat de timing en het volume van de waterafgifte cruciaal zijn. In de derde periode van hun studie, van 2021 tot 2024, hielden waterbeheerders consequent hoge afvoersnelheden aan. Dit hield het bovenste estuarium langer geschikt voor zoet water, waardoor de giftige blauwgroene algen uit het meer zich konden vestigen en verspreiden. In het onderste estuarium en de Golf bracht de hoge stroom een constante aanvoer van voedingsstoffen die grote bloeiperiodes van rode algen ondersteunde, met name tijdens de orkaanseizoenen van 2022 en 2024. De studie toonde aan dat er niet één ideale stroomsnelheid is voor elke situatie. Lage stromen laten brakwater-dinoflagellaten in de rivier bloeien, terwijl hoge stromen giftige zoetwateralgen de rivier in duwen en rode algen in de oceaan voeden.

De bevindingen suggereren dat het beheren van de waterregelstructuren een krachtig middel kan zijn om de ernst van deze schadelijke bloeiperiodes te verminderen. Door de doorstroming aan te passen, zouden beheerders potentieel de tijd kunnen verkorten dat het water in het estuarium staat, waardoor de planten worden weggespoeld voordat ze uitgroeien tot massale bloeiperiodes. Ze zouden ook kunnen proberen de hoeveelheid giftige blauwgroene algen uit het meer die de rivier binnenkomt, te beperken tijdens de piek van de bloeiperiodes. De studie benadrukt echter ook de complexiteit van het systeem. De bron van het water doet er evenveel toe als het volume. Tijdens droge seizoenen komt het vrijgekomen water vaak rechtstreeks uit Lake Okeechobee, wat hoge niveaus stikstof met zich meebrengt, een voedingsstof die plantengroei stimuleert. In natte seizoenen komt het water meer van het omliggende land, wat andere voedingsstoffen meebrengt. De onderzoekers merkten op dat het simpelweg veranderen van de doorstroming geen magische oplossing is, maar een hendel is die kan worden bewogen om de saliniteit, de verblijftijd van het water en de nutriëntenlast te veranderen.

Uiteindelijk demonstreert de studie dat de gezondheid van het Caloosahatchee Estuarium onlosmakelijk verbonden is met hoe het water stroomopwaarts wordt beheerd. De microscopische planten die in de stromingen drijven, reageren direct op de beslissingen die bij de waterregelsluis worden genomen. Door deze reacties te begrijpen, kunnen beheerders meer geïnformeerde keuzes maken om het estuarium te beschermen tegen de ergste effecten van giftige bloeiperiodes, waarbij ze de behoeften van overstromingsbestrijding en watervoorziening afwegen tegen de biologische behoeften van de rivier en de zee. Het werk bevestigt dat in een gereguleerd ecosysteem het ritme van het water het ritme van het leven dicteert, en dat het veranderen van dat ritme de gemeenschap verandert die daar leeft.