Бесчисленная армия. Микроорганизмы становятся врагами человечества на фоне глобального потепления

Все формы жизни на планете имеют свои отдельные важные функции для поддержания экосистем и биоразнообразия, как и в любом разветвленном отдельно взятом организме все органы и клетки выполняют определенные функции для поддержания жизнедеятельности. Если же имеет место какой-то сбой, как вот, к примеру, у человека, болеющего каким-то аутоиммунным заболеванием, клетки-регуляторы иммунной системы (T-киллеры) начинают ошибочно атаковать другие здоровые клетки. В конце концов, это разрушает полноценную функциональность организма и в лучшем случае, человек вынужден жить с инвалидностью.

Так же и наша планета — единый живой организм, а последствия антропогенной деятельности человечества вызвали тот самый сбой, когда отдельные элементы в разных биомах уже не работают как частицы общей пищевой цепи, а наоборот.

Около 70% поверхности Земли занимают морские экосистемы. Пооценки морских биологов, биомасса микроорганизмов составляет около 90% от общей массы морских обитателей. Количество клеток микроорганизмов в морской среде превышает 10²⁹. Фиксируя углерод и азот, то есть поглощая их, и осуществляя реминерализацию органических веществ, они формируют основу пищевой цепи. Поглощение углерода и его захоронение в морском осадке остается ключевым механизмом долгосрочного сокращения объемов углекислого газа в атмосфере.

Морской фитопланктон поглощает половину всего углерода, который связывается во время фотосинтеза из углекислого газа в атмосфере, где-то около 5×10¹⁰ тонн углерода в год. Он же отдает половину от всего объема кислорода, который возвращается в атмосферу. И это при том, что общая биомасса этого фитопланктона составляет лишь 1% от общей биомассы растений.

Увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере и рост температуры приводит к нагреванию морской воды, уменьшению ее плотности, а также вызывает расслоение и подкисление, что непосредственно влияет на перемешивание и вертикальную и термохалинную регуляции

Между океанскими бассейнами существует постоянное перемешивание, которое уменьшает разницу между ними и объединяет океаны Земли в глобальную систему. Во время движения водные массы постоянно перемещают как энергию (в форме тепла), так и вещество (частицы, растворенные вещества и газы), поэтому термохалинная циркуляция существенно влияет на климат Земли.. Все это уменьшает количество питательных веществ, которые поднимаются из глубин в верхние слои, и снижает эффективность поглощения углерода микроорганизмами.

За последние полвека количество воды в открытом океане с нулевым содержанием кислорода возросший более чем в 4 раза. С середины ХХ века в прибрежных районах количество зон с низкой концентрацией кислорода возросло более чем в 10 раз.

Ученые ожидают, что с дальнейшим ростом температуры на планете уровень содержания кислорода в этих акваториях будет продолжать падать. Даже незначительное падение уровня кислорода в воде замедляет рост морских обитателей и приводит к деградации микроорганизмов, которые поглощают углерод и азот. При отсутствии кислорода в воде может происходить повышение концентрации оксида азота, способного влиять на тепловой баланс на планете в 300 раз сильнее, чем диоксид углерода и сероводород. Нагрев поверхностных вод затрудняет попадание кислорода в глубины океана и кроме этого сокращает уровень кислорода, который и так уже находится в воде.

Теплая вода ускоряет метаболизм морских обитателей, и они начинают нуждаться в большем количестве кислорода. В прибрежных водах в результате сброса промышленных и бытовых отходов образуется чрезмерный уровень загрязнения питательными веществами, что в свою очередь приводит к цветению водорослей, которые при разложении также активно потребляют кислород.

Наиболее распространенными питательными веществами, вызывающими цветение водорослей, являются азот и фосфор, которые кроме как естественным образом — из рек и ручьев, также попадают в моря и океаны в результате сбросов неочищенных вод и сельскохозяйственной деятельности.

В течение последних десятилетий появляется все больше сообщений о так называемых красных приливах, вызванных массовым размножением микроскопических водорослей, которые придают воде красноватый, а иногда темно коричневый оттенок.

Преимущественно за это ответственны динофитовые и диатомовые водоросли. В условиях высокой температуры и чрезмерного количества питательных веществ они быстро размножаются и образуют плотный слой на поверхности воды, препятствуя попаданию солнечного света и лишая другие растения и микроорганизмы возможности осуществлять жизненно необходимый им фотосинтез. Умирая и разлагаясь они также потребляют большое количество кислорода из воды, что способствует расширению зон кислородного минимума. В таких зонах морские обитатели не могут существовать из-за недостаточного уровня кислорода в воде.

Но кроме этого эти водоросли еще и токсичны. Токсины, которые они производят, накапливаются в тканях моллюсков, рыб и других морских животных, а затем в качестве пищи могут попасть на стол к людям, вызывая целый ряд поражений, от желудочно-кишечных расстройств до серьезных неврологических нарушений.

Например, красные приливы уже стали привычным явлением в Мексиканском заливе, заливе Мэн, вблизи Калифорнии и в Северном море. Частые красные приливы в Мексиканском заливе вызваны динофитовыми водорослями Karenia brevis, которые производят опасный токсин бреветоксин. Отравление одной из разновидностей этого токсина может вызвать диарею, паралич мышц и даже привести к смерти в результате остановки дыхания.

В заливе Мэн красные приливы вызывают динофитовые водоросли Alexandrium catanella и Alexandrium fundyense. Они производят сакситоксины, что могут привести к паралитическому отравлению у людей, если они, например, потребляют моллюсков, ткани которых накопили эти токсины.

В Калифорнии виновниками красных приливов выступают диатомовые водоросли Pseudo-Nitzschia. Они вырабатывают токсичную домоевую кислоту.

Но далеко ходить не надо, в последние годы красные приливы становятся привычным явлением в Черном море, например вблизи побережья Одессы. Последний раз красный прилив здесь фиксировали в сентябре 2024 года, а один из самых масштабных в этом районе произошел в 2020 году.

По информации местного эколога Владислава Балинского, виновником красного прилива в сентябре 2024 года стали фотосинтезирующие динофитовые водоросли Lingylodinium polyedra. Они сделали воду опасной для купания из-за возможного риска аллергических реакций и сделали невозможным потребление морепродуктов из-за угрозы отравления.

Причиной появления этих водорослей эколог назвал опреснение воды и загрязнение ее биогенами.

Токсины динофитовых водорослей также могут попадать в организм человека из воздуха, вызывая поражение органов дыхания, ухудшение памяти, токсические повреждения головного мозга, а в случае паралитического отравления приводить к смерти.

Другим опасным явлением является глобальное распространение цианобактерий или сине-зеленых водорослей. Сейчас известно о существовании не менее 50 видов токсичных цианобактерий. Развитие их адаптивных механизмов позволяет этим микроорганизмам существовать практически в любых условиях. Их можно встретить как в пресных водоемах, так в слабо соленой и соленой воде от тропиков до антарктического пояса. Они способны вырабатывать гепатотоксины, нейротоксины, цитотоксины, дерматотоксины, опасные как для животных, так и для людей. Их массовое распространение приводит к гибели обитателей водных экосистем и сокращению объемов кислорода в воде, поскольку цветение этих водорослей также блокирует прохождение солнечного света.

Цветение цианобактерий происходит преимущественно, когда температура воды достигает 20-25 С⁰. В то же время отдельные виды цианобактерий способны размножаться и цвести даже в холодной воде и в озерах, покрытых льдом.

Вследствие глобального потепления и роста температуры в водных экосистемах, в озерах на территории Европы были обнаружены виды Cylindrospermopsis, Raphidiopsis raciborskii, которые являются типичными жителями субтропических регионов. Кроме того, благодаря наличию фотозащитных пигментов (каротиноидов) и поглощающих ультрафиолет компонентов (микоспорин-подобных аминокислот) цианобактерии сохраняют жизнеспособность даже при экстремально высоких уровнях радиации.

Глобальное потепление и частые колебания климата увеличивают продолжительность сезонов дождей и засух. В частности, засухи усиливают соленость воды в озерах и реках. Повышение среднегодовых температур может не только способствовать росту цианобактерий, но и влиять на образование токсинов. Более того, даже не токсичные цианобактерии с повышением температуры могут начать синтезировать токсины. На высокую активность и распространение цианобактерий также влияет таяние льда.

Важным источником питательных веществ для стремительного развития цианобактерий также служат азот и фосфор, которые попадают в поверхностные воды из почвы в результате сельскохозяйственной деятельности.

Глобальное распространение токсигенных цианобактерий представляет наиболее серьезную угрозу для окружающей среды. В пресноводных водоемах около 70% цианобактерий являются токсичными.

В зависимости от конкретной группы токсинов цианобактерий, эти опасные вещества способны вызвать некротическое повреждение внутренних органов — печени, почек, селезенки, легких, кишечника, вызвать воспаление и раздражение желудочно-кишечного тракта.

В случае массового цветения цианобактерии могут вызвать у людей кожное покраснение, зуд или высыпания, приступы астмы, стать причиной раздражения слизистой глаз, привести к появлению сыпи, волдырей на лице и других частях тела.
Сине-зеленые водоросли выделяют свои токсины и воздух, после этого может наступить легочная недостаточность и удушье.

Кроме этого цианобактерии синтезируют метаболиты, которые ухудшают вкус и запах воды.
Лабораторные и полевые наблюдения антропогенного загрязнения природных вод показывают, что сочетание повышенной температуры с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере создают очень благоприятные условия для доминирования цианобактерий в различных экосистемах.

Гранулированный активированный уголь удаляет цианотоксины из воды, устраняет проблему вкуса и запаха. Обратный осмос, нанофильтрация и ультрафильтрация удаляют цианобактерии из воды и цианотоксины. Хлорирование устраняет цианобактерии, но не устраняет цианотоксины.

Самый надежный метод борьбы с цианобактериями в бытовой водоподготовке — ультрафиолетовое облучение, с цианотоксинами — фильтрация воды через слой активированного угля.

Как отмечается в докладе ЮНЕСКО «Состояние Мирового океана в 2024 году», за последние 20 лет потепление мирового океана ускорилось вдвое. В частности, в 2023 году был зафиксирован один из самых высоких приростов температуры с 1950-х годов.

В Средиземном море, тропической части Атлантического океана и Южных океанах наблюдаются явные очаги потепления выше 2°C.

С 1960-х годов прошлого века океан уже потерял 2% кислорода из-за роста температуры и загрязнения сточными водами и сбросами от сельскохозяйственной деятельности. Обнаружено около 500 мертвых зон, в которых почти не осталось морской флоры и фауны из-за низкого уровня кислорода.

В прибрежных водах наблюдаются резкие колебания от высокого до низкого уровня закисления, что приводит к массовому вымиранию молодых поколений животных и растений, которые недостаточно адаптированы, чтобы выжить.

Миф о том, что коровы «напердели» потепление

Когда я впервые услышал, что коровы и другие жвачные животные, которые в процессе жизнедеятельности производят метан, виноваты в выбросах парниковых газов больше, чем транспортная сфера, это как-то не укладывалось у меня в голове. Понятно, что контекст несколько сложнее этого примитивного утверждения. Конечно, если учитывать мировые объемы животноводства в мире, включая мясопереработку, производство кормов, вырубку лесов под пастбища и так далее, тот вклад в нагрев атмосферы будет.

Жвачные животные отличаются тем, что их желудок имеет 4 отдела вместо одного. Самый большой из этих отделов, называемый рубец, служит убежищем для анаэробных микроорганизмов, которые называются метаногенные археи. Это единственные из известных организмов, способные производить метан.

Метан — один из ключевых парниковых газов, способный задерживать тепло в 30 раз эффективнее углекислого газа. В среднем он не сохраняется в атмосфере более 8-12 лет, однако после этого метан образует водяной пар и тот же углекислый газ. Вклад метана в парниковый эффект оценивается где-то на уровне от 4 до 9%. По сравнению с доиндустриальной эпохой его концентрация в атмосфере выросла более чем вдвое. Самый высокий уровень метана наблюдался в 21.20.2020 годах и составлял 15-18 частиц на миллиард.

В желудке жвачных животных микроорганизмы, среди прочего бактерии и грибки помогают переваривать пищу. В результате этой ферментации образуются водород и углекислый газ, которые используются метагоненными археями для производства метана.

Где-то одна корова производит от 70 до 120 кг метана в год. В целом весь крупный рогатый скот в мире выпускает в атмосферу количество метана, эквивалентное 3,1 млрд тонн углекислого газа.

Сейчас в развитых странах, например, США и Европе, активно практикуют добавление в корм для жвачных животных специальные добавки, которые сокращают выбросы метана. Среди наиболее распространенных 3-нитроксипропанол, водоросли Asparagopsis и нитраты, которые снижают выбросы метана более чем на 10%.

В Швейцарии компания Agolin выпускает средство из гвоздики, дикой моркови и семян кориандра, которое просто смешивают с минеральными кормами и дают тем самым коровам.

Как отмечает технический руководитель Agolin Беатрис Цвайфель, эта добавка уже входит в рацион каждой двадцатой коровы в странах ЕС.

По результатам испытаний в США, Нидерландах, Испании и Великобритании, она продемонстрировала способность сокращать выбросы метана на 10-20%.

Однако если бы проблема была в одних только коровах и другом домашнем скоте. Не меньшими источниками распространения метаногенных архей и увеличения выбросов ими метана являются рисовые поля, навоз и таяние вечной мерзлоты.

В болотах, образующихся в результате таяния вечной мерзлоты, сначала преобладают гидрогенотрофные метаногены, образующие метан из водорода и углекислого газа. Позже по мере роста разнообразных популяций этих микроорганизмов, начинают преобладать ацетокластические метаногены, которые для производства метана используют ацетат. Это более эффективный способ создания метана, который ведет к его увеличению в атмосфере.

Реакции с участием метана влияют на химический состав атмосферы, в частности на концентрацию озона в тропосфере и стратосфере. В этом заключается опосредованное влияние метана на климат Земли.

По нынешним оценкам, потепление на 1,5 — 2 °C (по сравнению со средними значениями температуры поверхности 00.19.1850 лет) уменьшит площадь многолетней мерзлоты на 28-53% и высвободит захороненный там углерод для микроорганизмов. Это, в свою очередь, увеличит выделение этими микробами углерода и метана в атмосферу.

Таяние мерзлоты расширяет площадь, занятую гидроморфными почвами, что способствует поступлению метана, произведенного анаэробными метаногенами, и углекислого газа, произведенного различными микроорганизмами, в атмосферу.

Ожидается, что к концу века выбросы углерода от анаэробных сред обитания будет в большей степени определять изменение климата, чем выбросы аэробных сред обитания.

Рис служит источником питания половины всего населения мира, а рисовые плантации
генерируют около 20% от всего метана, выделяемого в ходе сельскохозяйственного
производства, занимая по площади лишь 10% пахотных земель. Ожидается, что к концу века антропогенное изменение климата удвоит эмиссию метана от производства риса.

Чем дальше, то все описанные в этом материале процессы, будут становиться все более масштабными и угрожающими. Однако речь не идет о том, чтобы отказываться от чего-то, или ставить крест на каких-то сферах человеческой деятельности. Как по мне, человечество должно тщательно оптимизировать свою деятельность, в первую очередь, в интересах собственной безопасности. Потому что сейчас, пока понятие индустрии и экономической целесообразности преобладают над здравым смыслом, мы будто мчим в бешеном поезде к краю пропасти и некому нажать на тормоза. Если этого никто не сделает, на тормоз нажмет сама природа, и сделает это в своем фирменном стиле — безжалостно.