Незліченна армія. Мікроорганізми стають ворогами людства на тлі глобального потепління

Всі форми життя на планеті мають свої окремі важливі функції для підтримки екосистем та біорізноманіття, як і у будь-якому розгалуженому окремо взятому організмі всі органи та клітини виконують певні функції для підтримки життєдіяльності. Якщо ж має місце якийсь збій, як от, до прикладу, у людини, що хворіє на якесь аутоімунне захворювання, клітини-регулятори імунної системи (T-кілери) починають хибно атакувати інші здорові клітини. Зрештою, це руйнує повноцінну функціональність організму та у кращому випадку, людина змушена жити з інвалідністю.

Так само і наша планета — єдиний живий організм, а наслідки антропогенної діяльності людства викликали той самий збій, коли окремі елементи у різних біомах вже не працюють як частинки загального харчового ланцюга, а навпаки.

Близько 70% поверхні Землі займають морські екосистеми. За оцінками морських біологів, біомаса мікроорганізмів складає близько 90% від загальної маси морських мешканців. Кількість клітин мікроорганізмів у морському середовищі перевищує 10²⁹. Фіксуючи вуглець та азот, тобто поглинаючи їх, і здійснюючи ремінералізацію органічних речовин, вони формують основу харчового ланцюга. Поглинання вуглецю та його поховання у морському осаді залишається ключовим механізмом довгострокового скорочення обсягів вуглекислого газу в атмосфері.

Морський фітопланктон поглинає половину усього вуглецю, який зв’язується під час фотосинтезу з вуглекислого газу в атмосфері, десь близько 5×10¹⁰ тонн вуглецю на рік, та віддає половину від усього об’єму кисню, що повертається в атмосферу. І це при тому, що загальна біомаса цього фітопланктону складає лише 1% від загальної біомаси рослин.

Збільшення концентрації парникових газів в атмосфері і зростання температури призводить до нагрівання морської води, зменшення її щільності, а також викликає розшарування та підкислення, що безпосередньо впливає на перемішування та вертикальну і термохалінну регуляції

Між океанськими басейнами існує постійне перемішування, яке зменшує різницю між ними та поєднує океани Землі в глобальну систему. Під час руху водні маси постійно переміщують як енергію (у формі тепла), так і речовину (частки, розчинені речовини та гази), тому термохалінна циркуляція суттєво впливає на клімат Землі.. Все це зменшує кількість поживних речовин, які підіймаються з глибин у верхні шари, і знижує ефективність поглинання вуглецю мікроорганізмами.

За останні півстоліття кількість води у відкритому океані з нульовим вмістом кисню зросла у понад 4 рази. З середини ХХ століття у прибережних районах кількість зон із низькою концентрацією кисню зросла більш ніж в 10 разів.

Науковці очікують, що із подальшим зростанням температури на планеті рівень вмісту кисню у цих акваторіях продовжуватиме падати. Навіть незначне падіння рівня кисню у воді уповільнює зростання морських мешканців та призводить до деградації мікроорганізмів, які поглинають вуглець та азот. За відсутності кисню у воді може відбуватись підвищення концентрації оксиду азоту, здатного впливати на тепловий баланс на планеті у 300 разів сильніше, ніж діоксид вуглецю та сірководень. Нагрівання поверхневих вод ускладнює потрапляння кисню у глибини океану та окрім цього скорочує рівень кисню, який і так вже знаходиться у воді.

Тепла вода прискорює метаболізм морських мешканців і вони починають потребувати більшої кількості кисню. У прибережних водах внаслідок скидання промислових та побутових відходів утворюється надмірний рівень забруднення поживними речовинами, що своєю чергою призводить до цвітіння водоростей, які під час розкладання також активно споживають кисень.

Найбільш поширеними поживними речовинами, що викликають цвітіння водоростей, є азот та фосфор, які окрім як природним чином — з рік та струмків, також потрапляють у моря та океани внаслідок скидів неочищених вод та сільськогосподарської діяльності.

Протягом останніх десятиліть з’являється все більше повідомлень про так звані червоні припливи, викликані масовим розмноженням мікроскопічних водоростей, що надають воді червонуватого, а подекуди темно коричневого відтінку.

Переважно за це відповідальні динофітові та диатомові водорості. За умов високої температури та надмірної кількості поживних речовин вони швидко розмножуються і утворюють щільний шар на поверхні води, перешкоджаючи потраплянню сонячного світла і позбавляючи інші рослини та мікроорганізми змоги здійснювати життєво необхідний їм фотосинтез. Помираючи та розкладаючись вони також споживають велику кількість кисню з води, що сприяє розширенню зон кисневого мінімуму. У таких зонах морські мешканці не можуть існувати через недостатній рівень кисню у воді.

Та окрім цього ці водорості ще й токсичні. Токсини, які вони виробляють, накопичуються у тканинах молюсків, риб та інших морських тварин, а потім у якості їжі можуть потрапити на стіл до людей, викликаючи цілу низку уражень, від шлунково-кишкових розладів до серйозних неврологічних порушень.

Наприклад червоні припливи вже стали звичним явищем у Мексиканській затоці, затоці Мен, поблизу Каліфорнії та у Північному морі. Часті червоні припливи у Мексиканській затоці викликані динофітовими водоростями Karenia brevis, що виробляють небезпечний токсин бреветоксин. Отруєння одним з різновидів цього токсину може викликати діарею, параліч м’язів та навіть призвести до смерті внаслідок зупинки дихання.

У затоці Мен червоні припливи викликають динофітові водорості Alexandrium catanella та Alexandrium fundyense. Вони виробляють саксітоксини, що можуть призвести до паралітичного отруєння в людей, якщо вони, наприклад, споживають молюсків, тканини яких накопичили ці токсини.

У Каліфорнії винуватцями червоних припливів виступають диатомові водорості Pseudo-Nitzschia. Вони виробляють токсичну домоєву кислоту.

Але далеко ходити не треба, останніми роками червоні припливи стають звичним явищем у Чорному морі, наприклад поблизу узбережжя Одеси. Востаннє червоний приплив тут фіксували у вересні 2024 року, а один з наймасштабніших у цьому районі стався у 2020 році.

За інформацією місцевого еколога Владислава Балінського, винуватцем червоного припливу у вересні 2024 року стали фотосинтезуючі динофітові водорості Lingylodinium polyedra. Вони зробили воду небезпечною для купання через можливий ризик алергічних реакцій та унеможливили споживання морепродуктів через загрозу отруєння.

Причиною появи цих водоростей еколог назвав опріснення води та забруднення її біогенами.

Токсини динофітових водоростей також можуть потрапляти до організму людини з повітря, викликаючи ураження органів дихання, погіршення пам’яті, токсичні пошкодження головного мозку, а у випадку паралітичного отруєння призводити до смерті.

Іншим небезпечним явищем є глобальне розповсюдження ціанобактерій або ж синьо-зелених водоростей. Наразі відомо про існування щонайменше 50 видів токсичних ціанобактерій. Розвиток їхніх адаптивних механізмів дозволяє цим мікроорганізмам існувати практично у будь-яких умовах. Їх можна зустріти як у прісних водоймах, так у слабо солоній та солоній воді від тропіків до антарктичного поясу. Вони здатні виробляти гепатотоксини, нейротоксини, цитотоксини, дерматотоксини, небезпечні як для тварин, так і для людей. Їх масове розповсюдження призводить до загибелі мешканців водних екосистем та скорочення обсягів кисню у воді, оскільки цвітіння цих водоростей також блокує проходження сонячного світла.

Цвітіння ціанобактерій відбувається переважно, коли температура води досягає 20-25 С⁰. Водночас окремі види ціанобактерій здатні розмножуватись та цвісти навіть у холодній воді та в озерах, вкритих кригою.

Внаслідок глобального потепління та зростання температури у водних екосистемах, в озерах на території Європи було виявлено види Cylindrospermopsis, Raphidiopsis raciborskii, які є типовими мешканцями субтропічних регіонів. Крім того, завдяки наявності фотозахисних пігментів (каротиноїдів) і поглинаючих ультрафіолет компонентів (мікоспорин-подібніх амінокислот) ціанобактерії зберігають життєздатність навіть при екстремально високих рівнях радіації.

Глобальне потепління і часті коливання клімату збільшують тривалість сезонів дощів та посух. Зокрема, посухи посилюють солоність води в озерах та річках. Підвищення середньорічних температур може не тільки сприяти зростанню ціанобактерій, а й впливати на утворення токсинів. Ба більше, навіть не токсичні ціанобактерії з підвищенням температури можуть почати синтезувати токсини. На високу активність та розповсюдження ціанобактерій також впливає танення криги.

Важливим джерелом поживних речовин для стрімкого розвитку ціанобактерій також слугують азот та фосфор, які потрапляють у поверхневі води з ґрунту внаслідок сільськогосподарської діяльності.

Глобальне розповсюдження токсигенних ціанобактерій представляє найбільш серйозну загрозу для навколишнього середовища. У прісноводних водоймах близько 70% ціанобактерій є токсичними.

Залежно від конкретної групи токсинів ціанобактерій, ці небезпечні речовини здатні викликати некротичне пошкодження внутрішніх органів — печінки, нирок, селезінки, легенів, кишківника, викликати запалення, та подразнення шлунково-кишкового тракту.

У разі масового цвітіння ціанобактерії можуть викликати у людей шкірне почервоніння, свербіж або висипання, напади астми, стати причиною подразнення слизової очей, призвести до появи висипу, пухирів на обличчі та інших частинах тіла.
Синьо-зелені водорості виділяють свої токсини і повітря, після цього може наступити легенева недостатність і задуха.

Окрім цього ціанобактерії синтезують метаболіти, які погіршують смак та запах води.
Лабораторні та польові спостереження антропогенного забруднення природних вод показують, що поєднання підвищеної температури зі збільшенням вмісту вуглекислого газу в атмосфері створюють дуже сприятливі умови для домінування ціанобактерій в різних екосистемах.

Гранульоване активоване вугілля видаляє ціанотоксини з води, усуває проблему смаку та запаху. Зворотний осмос, нанофільтрація та ультрафільтрація видаляють ціанобактерії з води та ціанотоксини. Хлорування усуває ціанобактерії, але не усуває ціанотоксини.

Найнадійніший метод боротьби з ціанобактеріями у побутовій водопідготовці — ультрафіолетове опромінення, з ціанотоксинами — фільтрація води через шар активованого вугілля.

Як зазначається у доповіді ЮНЕСКО «Стан Світового океану у 2024 році», за останні 20 років потепління світового океану пришвидшилось удвічі. Зокрема, у 2023 році був зафіксований один з найвищих приростів температури з 1950-х років.

У Середземному морі, тропічній частині Атлантичного океану та Південних океанах спостерігаються явні осередки потепління вище 2°C.

З 1960-х років минулого століття океан вже втратив 2% кисню через зростання температури та забруднення стічними водами і скидами від сільськогосподарської діяльності. Виявлено близько 500 мертвих зон, у яких майже не залишилось морської флори та фауни через низький рівень кисню.

У прибережних водах спостерігаються різкі коливання від високого до низького рівня закислення, що призводить до масового вимирання молодих поколінь тварин і рослин, які недостатньо адаптовані, щоб вижити.

Міф про те, що корови «наперділи» потепління

Пам’ятаю, що коли вперше почув про те, що корови, та інші жуйні тварини, що у процесі життєдіяльності виробляють метан, винуваті у викидах парникових газів більше за транспортну сферу, це якось не укладалось у мене в голові. Зрозуміло, що контекст дещо складніший за це примітивне твердження. Звісно, якщо враховувати світові обсяги тваринництва у світі, включно із м’ясопереробкою, виробництвом кормів, вирубкою лісів під пасовиська і таким іншим, той вклад у нагрівання атмосфери буде.

Жуйні тварини відрізняються тим, що їхній шлунок має 4 відділи замість одного. Найбільший з цих відділів, що має назву рубець, слугує притулком для анаеробних мікроорганізмів, які мають назву метаногенні археї. Це єдині з відомих організмів, здатні виробляти метан.

Метан — один з ключових парникових газів, здатний затримувати тепло у 30 разів ефективніше за вуглекислий газ. У середньому він не зберігається в атмосфері більше 8-12 років, однак після цього метан утворює водяну пару та той самий вуглекислий газ. Вклад метану у парниковий ефект оцінюється десь на рівні від 4 до 9%. Порівняно із доіндустріальною епохою його концентрація в атмосфері зросла більш ніж удвічі. Найвищий рівень метану спостерігався у 21.20.2020 роках і складав 15-18 частинок на мільярд.

У шлунку жуйних тварин мікроорганізми, серед іншого бактерії та грибки допомагають перетравлювати їжу. Внаслідок цієї ферментації утворюються водень та вуглекислий газ, які використовуються метагоненними археями для виробництва метану.

Десь одна корова виробляє від 70 до 120 кг метану на рік. Загалом уся велика рогата худоба у світі випускає в атмосферу кількість метану, еквівалентну 3,1 млрд тонн вуглекислого газу.

Наразі у розвинених країнах, наприклад, США та Європі, активно практикують додавання у корм для жуйних тварин спеціальні добавки, які скорочують викиди метану. Серед найбільш поширених 3-нітроксипропанол, водорості Asparagopsis та нітрати, які знижують викиди метану більш ніж на 10%.

У Швейцарії компанія Agolin випускає засіб з гвоздики, дикої моркви та насіння коріандру, який просто змішують з мінеральними кормами і дають тим самим коровам.

Як зазначає технічний керівник Agolin Беатріс Цвайфель, ця добавка вже входить до раціону кожної двадцятої корови у країнах ЄС.

За результатами випробувань у США, Нідерландах, Іспанії та Великій Британії, вона продемонструвала здатність скорочувати виброси метану на 10-20%.

Однак якби ж проблема була у самих тільки коровах та іншій домашній худобі. Не меншими джерелами розповсюдження метаногенних архей та збільшення викидів ними метану є рисові поля, гній та танення вічної мерзлоти.

У болотах, що утворюються внаслідок танення вічної мерзлоти, спочатку переважають гідрогенотрофні метаногени, що утворюють метан з водню та вуглекислого газу. Пізніше у міру зростання різноманітних популяцій цих мікроорганізмів, починають переважати ацетокластичні метаногени, які для виробництва метану використовують ацетат. Це більш ефективний спосіб виробництва метану, який веде до його збільшення в атмосфері.

Реакції за участю метану впливають на хімічний склад атмосфери, зокрема на концентрацію озону у тропосфері та стратосфері. У цьому полягає опосередкований вплив метану на клімат Землі.

За теперішніми оцінками, потепління на 1,5 — 2 °C (порівняно із середніми значеннями температури поверхні 00.19.1850 років) зменшить площу багаторічної мерзлоти на 28-53% та вивільнить похований там вуглець для мікроорганізмів. Це, своєю чергою, збільшить виділення цими мікробами вуглецю та метану в атмосферу.

Танення мерзлоти розширює площу, зайняту гідроморфними ґрунтами, що сприяє надходженню метану, виробленого анаеробними метаногенами, та вуглекислого газу, виробленого різними мікроорганізмами, в атмосферу.

Очікується, що до кінця століття викиди вуглецю від анаеробних середовищ існування буде більшою мірою визначати зміну клімату, ніж викиди аеробних середовищ існування.

Рис слугує джерелом харчування половини всього населення світу, а рисові плантації
генерують близько 20% від усього метану, що виділяється в ході сільськогосподарського
виробництва, займаючи за площею лише 10% орних земель. Очікується, що до кінця століття антропогенна зміна клімату подвоїть емісію метану від виробництва рису.

Що далі, то всі описані у цьому матеріалі процеси, ставатимуть все більш масштабними та загрозливими. Однак мова не йде про те, щоб відмовлятись від чогось, чи ставити хрест на якихось сферах людської діяльності. Як на мене, людство має ретельно оптимізувати свою діяльність, в першу чергу, в інтересах власної безпеки. Бо наразі, поки поняття індустрії і економічної доцільності переважають над здоровим глуздом, ми ніби мчимо у шаленому потягу до краю прірви та нема кому натиснути на гальма. Як цього ніхто не зробить, на гальма натисне сама природа, і зробить це у своєму фірмовому стилі — безжально.