Экологически значимые биомаркеры показывают, что хронические эффекты нитратов зависят от пола и стадии жизни инвазивной рыбы Gambusia holbrooki

Abstract

Ожидается, что интенсификация сельского хозяйства и сдвиги в режимах осадков в связи с глобальным изменением климата приведут к увеличению концентрации питательных веществ в водных экосистемах.Однако прямое воздействие биогенных веществ, широко присутствующих в сточных водах, таких как нитраты, мало изучено. Здесь мы используем несколько индикаторов здоровья рыб, чтобы экспериментально проверить влияние трех экологически значимых концентраций нитратов (<10, 50 и 250 мг NO ₃ ^— /л) на собранных в дикой природе рыб-комаров ( Gambusia holbrooki ), вид, широко интродуцированный для биоконтроля комаров в часто эвтрофных водах. В целом, биомаркеры (гистопатология, анализы кормления, рост и калорийность, а также стабильные изотопы как индикаторы энергосодержания) не выявили явных признаков серьезного заболевания у молоди, самцов или самок рыб-комаров.Однако самцы снижали потребление пищи при самой высокой концентрации нитратов по сравнению с контрольной группой и самками. Точно так же молодые особи уменьшали запасы энергии без существенных изменений в росте или потреблении пищи. Калориметрия была положительно связана с количеством перивисцеральных жировых клеток у молодых особей, а скорость роста самок была отрицательно связана с характеристикой δ ¹⁵ N в мышцах. Это исследование показывает, что самки более толерантны к нитратам, чем самцы и молодые особи, и иллюстрирует преимущества сочетания краткосрочных и долгосрочных биомаркеров при оценке экологических рисков, в том числе при проверке адекватности установленных законом пороговых значений для загрязняющих веществ.

Образец цитирования: Кано-Рокабайера О., де Состоа А., Падрос Ф., Карденас Л., Маседа-Вейга А. (2019) Экологически значимые биомаркеры показывают, что хроническое воздействие нитратов зависит от пола и стадии жизни инвазивной рыбы Gambusia holbrooki . ПЛОС ОДИН 14(1): e0211389. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0211389

Редактор: Амитава Мукерджи, Университет ВИТ, ИНДИЯ

Поступила в редакцию: 16 октября 2018 г.; Принято: 11 января 2019 г.; Опубликовано: 28 января 2019 г.

Авторское право: © 2019 Cano-Rocabayera et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все файлы данных Excel доступны во вспомогательном файле «S1 File».

Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке Fundació Barcelona Zoo (грант PRIC 3RB 057 на лабораторное оборудование и расходы на анализ).OCR получил грант Университета Барселоны (APIF) в период 2015-2017 гг. Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Загрязнение биогенными веществами приводит к антропогенной эвтрофикации, которая является одной из наиболее пагубных форм глобальных изменений, влияющих на водные экосистемы по всему миру [1,2].Антропогенными причинами эвтрофикации являются неэффективное использование удобрений, аквакультура и городские стоки, а также осаждение атмосферного азота в результате сжигания [3–5]. Экологические последствия эвтрофикации хорошо известны, в том числе токсичные цветения водорослей и высокая смертность животных из-за истощения растворенного кислорода в ночное время [6–8]. Водохозяйственные органы пытаются смягчить эвтрофикацию, устанавливая безопасные концентрации питательных веществ (например, ОЭСР, 1982; Директива 91/676/ECC [9,10]). Однако прямая токсичность питательных веществ для диких животных при хроническом воздействии все еще плохо изучена [11,12].Учитывая, что интенсификация сельского хозяйства не ослабевает, а очистка воды обходится дорого [13], существует острая необходимость в более глубоком понимании воздействия на здоровье диких животных экологически значимых концентраций питательных веществ.

Нитрат (NO ₃ ^— ) является широко распространенным питательным веществом, которое в природе встречается в низкой концентрации в окружающей среде [3]. Однако она может достигать 2000 мг NO ₃ ^— /л в аквакультурных бассейнах и 345 мг NO ₃ ^— /л в поверхностных водах в уязвимых к нитратам зонах [14,15].С 2012 по 2015 г. площадь поверхности, подверженная нитратному загрязнению, увеличилась с 1951898 км ² до 2175861 км ² только в Европе, что составляет 61% от общей площади сельскохозяйственных угодий [16]. Наряду с поверхностными водами загрязнение нитратами приводит к ухудшению качества подземных вод с зарегистрированными концентрациями более 395 мг NO ₃ ^— /л [17], что превышает допустимые нормы для Европы (50 мг NO ₃ ^— /л; Директива 91/676/ECC [10]) и США (44 мг NO ₃ ^— /л; USEPA SWDA [18]).Грунтовые и поверхностные воды связаны между собой, буферизуя грунтовые воды от нехватки поверхностных вод во время засухи [7]. Более того, изменение климата может усилить воздействие нитратного загрязнения на реки умеренного пояса, если сдвиги в режимах выпадения осадков увеличат сельскохозяйственный сток [2].

Токсичность нитратов уже давно привлекает внимание органов здравоохранения после того, как у детей в США было зарегистрировано нитрат-индуцированное окисление дыхательного пигмента (метгемоглобинемия) [19]. С тех пор в исследованиях сообщалось о других заболеваниях, помимо респираторных, у людей, лабораторных и домашних животных после употребления воды, загрязненной нитратами, включая смертность, окислительный стресс, гипертонию, врожденные дефекты, диабет, нарушение функции щитовидной железы, самопроизвольные аборты или рак [11,20, 21].Для вододышащих животных нитраты обычно считались мало опасными, возможно, потому, что нитраты имеют низкую проницаемость жабр по сравнению с высокотоксичными аммиаком и нитритом [22,23]. Эта точка зрения изменилась после того, как экспериментальные данные показали метгемоглобинемию и изменения уровня гормонов, поведения, роста или уязвимости к заболеваниям у водных таксонов при хроническом воздействии нитратов [11,24,25]. Однако в этих исследованиях использовались яйца, молодь или взрослые особи одного пола разных видов, все из которых являются факторами, которые могут влиять на токсическую реакцию [26].Кроме того, токсические реакции могут быть отсрочены, так что комбинированное использование краткосрочных (например, анализы кормления) и долгосрочных биомаркеров (например, роста) обеспечит более целостное представление о токсичности нитратов для диких животных, чем часто используемый подход с использованием биомаркеров одного типа. [27].

Восточный москит ( Gambusia holbrooki ) является одним из самых опасных в мире рыбных захватчиков, который был завезен во многие регионы с умеренным климатом из-за ошибочной стратегии борьбы с комарами [28]. Хотя токсичность нитратов для рыб-комаров широко используется в экотоксикологии, они подробно не изучались.Снижение количества сперматозоидов и увеличение веса яичек у самцов рыб-комаров были связаны с концентрациями до 22 мг NO ₃ ^— /л в ручьях США [29]. Однако нет никаких экспериментальных доказательств других изменений, вызванных нитратами у рыб-комаров. Действие нитратов на другие виды рыб отрицательное [11,24,30], почти нейтральное [31] и даже защитное от болезней [32]. Тем не менее, эти исследования в основном проводились на выращенных в неволе видах, которые могут иметь более высокую толерантность к нитратам, чем дикие рыбы, поскольку нитраты накапливаются в аквакультурных аквариумах, а предварительное воздействие нитратов повышает толерантность [33].Это обоснование может быть применимо к диким таксонам, если предварительное воздействие многих загрязняющих веществ, встречающихся в природных водах, вызывает котолерантность [34].

В настоящем экспериментальном исследовании в течение 8 недель отслеживалось воздействие трех экологически значимых концентраций нитратов на диких самцов, самок и молодь рыб-комаров с использованием конечных точек, связанных с их воздействием на окружающую среду. Если самцы представляют собой более болезненный пол [35,36,37], а молодые особи более уязвимы к загрязнению, чем взрослые особи [26,38], то мы ожидали, что самки рыб-комаров будут наиболее устойчивы к загрязнению нитратами.Если эффекты загрязнения нитратами незначительны, то мы ожидали, что эффекты нитратов будут более очевидными в краткосрочных, чем в долгосрочных биомаркерах. Наконец, реакция при обработке нитратами должна быть сопоставима с реакцией в контроле, если рыба-комар может справиться с токсичностью нитратов. Учитывая экологическую значимость используемых биомаркеров, в нашей работе будет изучено, можно ли модулировать экологическое воздействие рыбы-москита путем изменения концентрации питательных веществ в воде.

Материалы и методы

Происхождение рыбы и общее содержание рыбы

Самцы и самки рыбы-комара, использованные в этом исследовании, были пойманы сачком в ноябре 2012 г. в каналах, дренирующих сельскохозяйственные угодья в реке Льобрегат, Барселона, Испания (41°16’52” с.ш., 2°02’04” в.д.).Рыба была доставлена ​​в Барселонский университет в непрозрачных пластиковых аквариумах, оснащенных воздушными насосами, и в течение одной недели акклиматизировалась к лабораторным условиям в двух смешанных аквариумах объемом 500 л, снабженных внешним фильтром, искусственными растениями и цветочными горшками для беженцев. Рыб содержали в условиях акклиматизации и эксперимента следующим образом. По прибытии в профилактическую дозу применялась малакитовая зеленая/формалиновая ванна (см. [39]). Затем воду полностью обновили, используя дехлорированную водопроводную воду, как мы это делали для поддержания экспериментальных условий окружающей среды (см.3). Свойства воды в лабораторном кране: рН = 7,7, мг/л, аммиак <0,5 мг/л, нитриты <0,03 мг/л, нитраты = 7,4 мг/л, сульфаты = 81,2 мг/л, хлориды = 130 мг/л. , бикарбонат = 221 мг/л и электропроводность = 784 мкСм/см. Беременных самок ( N = 15) с явными признаками родов вскоре заселяли группами по три в 100-литровые аквариумы, снабженные сетками, для сбора только что родившейся молоди (N = 165). Как взрослых особей, так и новорожденных содержали при температуре 22±1°C и цикле 12 часов свет:12 часов темнота и ежедневно кормили измельченными коммерческими хлопьями Sera Vipan и еженедельно замороженным мотылем для взрослых и живыми науплиусами артемии для новорожденных.Рыб кормили один раз в день до насыщения, а несъеденный корм и фекалии ежедневно удаляли сачком. В каждом резервуаре был установлен биологический фильтр для предотвращения накопления метаболических отходов (NH ₄ ⁺ и NO ₂ ^— ) и обеспечения насыщения воды кислородом.

Заявление об этике

Экспериментальная процедура была одобрена Отделом охраны окружающей среды и биоразнообразия Департамента сельского хозяйства и рыболовства Каталонии (номер DAAM 8290). Отлов и содержание рыб были одобрены Комитетом по этичному использованию экспериментальных животных Университета Барселоны (Num.87/15). Все рыбы были гуманно усыплены по завершении эксперимента в соответствии с испанским законодательством по управлению инвазивными видами (Real Decreto 1628/2011 [40]).

Экспериментальные концентрации нитратов и условия воздействия

Нитрат натрия (NaNO ₃ , номер CAS: 7631-99-4) использовали для приготовления двух растворов нитрата (50 и 250 мг NO ₃ ^— /л, что эквивалентно 11,5 и 57 мг NO ₃ ^— Н/л соответственно) с использованием дехлорированной водопроводной воды, которая также использовалась в контрольной обработке (<10 мг NO ₃ ^— /л).Самая низкая концентрация нитратов является безопасным порогом содержания нитратов для европейских вод (Директива 91/676/ECC [10]), а самый высокий уровень находится в пределах диапазона, зарегистрированного в аквакультуре [24] и в реках, дренирующих зоны, уязвимые к нитратам в Европе [41] и тропические страны [42]. Экспериментальные концентрации нитратов представляли собой 0-, 5- и 25-кратное увеличение, соответственно, для рыб-комаров по сравнению с концентрацией нитратов в месте сбора (9,9 ± 3,0 мг NO ₃ ^— /л, на основе ежеквартальных анализов воды в течение один год).

Самцов и самок рыб-комаров визуально уравняли по размеру в зависимости от пола (общая длина, самки: TL = 37,6 ± 0,4 и самцы: 25,9 ± 0,2 мм) и подвергали воздействию экспериментальных растворов нитратов в течение 8 недель в 20-литровых аквариумах (N = 5 аквариумов). на обработку и пол) с шестью самцами или самками в каждой повторности. Для молоди использовалась та же экспериментальная установка, но они подвергались воздействию группами по 11 особей на аквариум. Воздействие начиналось с повышения концентрации нитратов в каждом аквариуме по каплям (~3 часа) через трубку диаметром 5 мм, соединенную с резервуаром с чистой водой или одним из двух растворов нитратов.Эта капельная система использовалась для пополнения каждого резервуара свежей водой из каждого экспериментального условия после замены 50% воды каждые три дня. Пробы воды, случайно проанализированные после различных обработок с использованием колориметрического набора VISOCOLOR, показали, что условия качества воды оставались постоянными в течение всего эксперимента через 24 часа после следующей подмены воды (таблица 1).

Обзор биомаркеров, измеряемых для оценки токсичности нитратов

Влияние хронического воздействия нитратов на самцов, самок и молодь рыб-комаров было изучено с использованием 13 переменных (таблица 2).Все они являются индикаторами здоровья рыб, но калориметрия и сигнатуры стабильных изотопов дают информацию о качестве рыбы для рыбоядных (см. раздел 2.4.2). Изменения количества съеденной пищи или времени реакции на раздражитель показывают, как нитраты могут влиять на поведение рыб-комаров в экосистемах. По окончании эксперимента (8 недель) регистрировали показатели, связанные с ростом рыбы, состоянием тела на основе соотношения массы и длины, энергетическим содержанием и гистопатологией. Однако за пищевым поведением рыб-комаров следили в возрасте 0, 4, 6 и 8 недель.Всех рыб подвергали эвтаназии в возрасте 8 недель с использованием передозировки анестетика MS-222.

Рост и состояние тела на основе соотношения массы и длины.

Самцов и самок рыб-комаров анестезировали MS-222 (0,02%), измеряли (TL, мм) и взвешивали (0,001 г) в момент времени 0 и через 8 недель. Новорожденных, отличных от тех, которые использовались в эксперименте, использовали для оценки размера экспериментальной молоди в момент времени 0 (TL = 8,9 ± 1,2 мм), чтобы не подвергать риску здоровье крошечных испытуемых особей из-за обращения с ними.

Меры размера рыбы использовались для расчета удельной скорости роста рыбы (G) по уравнению натуральный логарифм длины рыбы в возрасте 8 недель, ln L ₀ — это длина рыбы в момент времени 0, а t _n — продолжительность эксперимента (8 недель). Мы ранжировали рыбу в каждом аквариуме по длине тела в моменты времени 0 и t _n , чтобы идентифицировать особей рыб и иметь возможность рассчитать G, поскольку наше оборудование для маркировки (например,грамм. эластомер) не подходит для такой мелкой рыбы. Кроме того, мы рассчитали Scaled Mass Index (SMI) как показатель состояния тела: SMI = W _i (L _o / L _i ) ^bSMA [44], где W _i и L _i — вес и длина каждой особи рыбы, соответственно, L ₀ — среднее арифметическое длины всех протестированных рыб-москитов, а b _SMA — наклон стандартизированной регрессии по главной оси соотношения массы и длины.SMI рассматривается как коррелят мер энергии и фитнеса [44].

Энергетические резервы.

Изменения у рыб δ ¹³ C и δ ¹⁵ N сигнатуры стабильных изотопов и калориметрия использовались в качестве двух дополнительных показателей запасов энергии. Стабильные изотопы широко используются в исследованиях трофической экологии, поскольку изотопный состав тканей хищников естественным образом изменяется в зависимости от типа и количества ассимилируемой пищи [45]. Более того, изотопные различия в тканях обусловлены изменениями метаболизма, в том числе увеличением накопления липидов [46,47], поскольку липиды примерно на 6-7% обеднены ¹³ C по сравнению с белком [48].Мы использовали соотношение δ ¹³ C и δ ¹⁵ N в качестве показателя содержания липидов в белых мышцах, поскольку эта ткань широко используется в рыболовстве (например, [47,49]). Однако содержание липидов в тканях рыб различается [50], поэтому мы использовали калорийность целой рыбы в качестве дополнительной меры содержания энергии.

Для анализа стабильных изотопов мы лиофилизировали образцы мышц рыб из-под спинного плавника 3 взрослых рыб из каждого аквариума и измельчили их до тонкой очистки. Две подвыборки 0.30 мг каждого помещали в жестяные ведерки и обжимали для сжигания для определения δ ¹³ C и δ ¹⁵ N с использованием Flash EA1112 и TC/EA, соединенных с масс-спектрометром стабильных изотопов Delta C через интерфейс Conflo III (ThermoFinnigan). . Аналитическая точность контролировалась с помощью повторных анализов сертифицированных стандартов, показывающих аналитическую ошибку ± 0,1 ‰ и ± 0,3 ‰ для δ ¹³ C и δ ¹⁵ N соответственно. Соотношения изотопов обычно выражаются в виде значений δ в ppt (‰) по следующему уравнению: ‰) – ¹³ C, ¹⁵ N, R – соответствующие отношения ¹³ C/ ¹² C ¹⁵ N/ ^{15 для 13 C — Pee Dee Belemnite, для 15 N — атмосферный азот.}

Для калориметрии мы использовали по три взрослых особи на аквариум и объединили всех мальков из каждого аквариума, чтобы достичь пределов обнаружения калориметра IKA Calorimeter c7000 (Германия). Образцы высушивали в печи при 60ºC в течение 48 часов, взвешивали и калорийность выражали в джоулях на грамм (Дж/г).

Гистопатология.

Случайная выборка из трех рыб из каждого аквариума была обработана для гистологии. Голову и внутренности взрослых рыб фиксировали по отдельности в 10% забуференном формалине, обезвоживали в этаноле, очищали в ксилоле и заливали в парафин [51].Молодь перерабатывалась целиком из-за мелких размеров.

сагиттальных среза толщиной 5 мкм и окрашивали обычным гематоксилин-эозином [51]. Наблюдения проводились под световым микроскопом Olympus BH при 400-кратном увеличении. Мы сосредоточились на печени и жабрах, поскольку поглощение нитратов происходит через жабры [52], а печень является мишенью для многих токсикантов [27]. Жаберные изменения и количество слизистых клеток в жабрах регистрировали и выражали как отношение к 50 исследованным вторичным пластинкам и пространствам.Изменения печени и количество очагов меланомакрофагии выражали как отношение к количеству исследованных полей микроскопа. Мы сделали фотографии с помощью камеры Jenoptik ProgRes C3 и использовали программное обеспечение ImageJ для количественной оценки площади (мкм ² ) перивисцерального жира в 3 секциях каждой молоди рыбы в качестве дополнительной меры накопления энергии. Результаты были выражены в среднем на одного несовершеннолетнего.

Пищевое поведение.

Временные изменения в пищевом поведении были количественно определены у всех подопытных рыб, которых не кормили за 24 часа до анализа, чтобы убедиться, что все рыбы голодны.Анализ проводился в аквариуме с пластиковым листом с одной стороны, где испытуемых рыб оставляли на 3 минуты для акклиматизации перед испытанием (рис. 1). Испытание начиналось с осторожного снятия листа и осторожного выпуска десяти незамороженных взрослых особей артемии подходящего размера в 200 мл воды в экспериментальную зону на противоположной стороне тестируемой рыбы. Для молоди использовали живые науплиусов артемии . Анализ был повторен индивидуально для всех рыб, и тот же наблюдатель, сидя перед аквариумом, записал: i) латентность, определяемую как время, затрачиваемое на поимку первого объекта, ii) прожорливость, определяемую как время, необходимое для поимки первого объекта ( четыре у взрослых и десять у молодых), и iii) сытость определяется как общее количество продуктов, съеденных без перерыва > 2 минут.Если рыба съела все 10 объектов добычи, то до насыщения мы добавили на поверхность воды особи артемии особей.

Рис. 1. Экспериментальная установка для анализа пищевого поведения взрослых особей и молоди рыб-комаров.

а) Отдельной взрослой рыбе-комару предлагают 10 объектов добычи. b) Живые науплии артемии с помощью шприца предлагаются изолированной молоди гамака в лотке. После добавления корма (t ₀ ) мы количественно определяли: латентное время кормления (время поимки первой добычи, t _LAT ), время прожорливости (время поимки 4 жертв у взрослых особей и 10 у молодых, t _VOR ) и сытость.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0211389.g001

Статистический анализ

Все анализы проводились с использованием программного обеспечения R [53] и описанных ниже функций. Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена использовались для изучения ассоциаций между всеми ответами биомаркеров. Влияние хронического воздействия нитратов на смертность, рост рыбы, SMI, калорийность, отношение C/N, гистопатологические и поведенческие показатели оценивали с использованием обобщенных линейных смешанных моделей (GLMM).Данные о самцах, самках и молодых особях анализировались отдельно, так как были значительные различия во всех переменных ответа (таблица S5). Чтобы избежать псевдорепликации, идентификация аквариума была включена в качестве случайной выборки во все модели, чтобы учесть тот факт, что рыба подвергалась воздействию нитратов партиями (6 взрослых особей или 11 мальков). Для молоди идентификатор аквариума был вложен в идентификатор матери как случайный перехват для учета систематических различий между кладками. Нитраты были включены как фиксированный эффект во всех моделях.Взаимодействие между нитратом и временем было включено в поведенческую модель, чтобы проверить, меняется ли воздействие нитрата на рыб в зависимости от времени воздействия. Распределение всех переменных ответа было проверено визуально, и соответственно было выбрано распределение ошибок в GLMM (например, гауссовское для роста рыбы, пуассоновское для количества съеденной добычи). Предположения модели были проверены путем проверки диагностических графиков остатков [54]. Функция Anova в составе пакета car [55] использовалась для оценки значимости при P ≤ 0.05.

Результаты

Рыбы-москиты были равномерно распределены по размеру и полу в разных вариантах лечения, и рыбы не различались по размеру в аквариумах в момент времени 0 ни для самцов (F = 0,54; P = 0,90), ни для самок (F = 1,22; P = 0,28). . Однако самки (среднее ± SE = 37,6 ± 0,42 мм) были значительно крупнее самцов (25,9 ± 0,18 мм; t = 25,8; P <0,001). Смертность самцов из-за нитратов отсутствовала, а для молоди (3,6%) и самок (3,3%) была зарегистрирована лишь незначительная смертность. Тем не менее, смертность существенно не различалась между видами лечения (нитраты: χ ² = 1.59, P = 0,66) или пола (Пол: χ ² = 0,43, P = 0,93).

Рост, физическое состояние и энергетические резервы

Восьминедельное воздействие нитратов не оказало существенного влияния на скорость роста или физическое состояние, определяемое SMI, у самцов, самок и молодых особей (таблица 3). Калорийность молоди при 50 мг NO ₃ ^— /л и в контроле при <10 мг NO ₃ ^— /л была заметно выше, чем при 250 мг NO ₃ ^— /л. (таблица 3).Однако у самцов значительно увеличилась калорийность при 50 мг NO ₃ ^— /л по сравнению с двумя другими концентрациями. Самки не показали существенных различий между обработками (таблица 3). Нитрат также не влиял на показатели δ ¹³ C и δ ¹⁵ N в белых мышцах всех тестируемых рыб (табл. 3).

Таблица 3. Биомаркеры, используемые для оценки состояния здоровья (содержание энергии, показатели масса-длина, гистопатология) самцов, самок и молоди гамбузии ( Gambusia holbrooki ), подвергавшихся воздействию трех экспериментальных концентраций нитратов (<10 мг/л, 50 мг/л, 250 мг/л).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0211389.t003

Гистопатология

Детальное изучение всех препаратов не выявило явных клинических признаков заболевания, но наблюдались некоторые тканевые изменения в печени и жабрах (табл. 3, рис. S2 и S3). Иногда во вторичных пластинках наблюдались телеангиэктазии и небольшой подъем эпителия. Однако мы не наблюдали других изменений ткани, таких как гиперплазия, гипертрофия или увеличение количества слизистых клеток.Все образцы печени имели регулярно выровненные тяжи гепатоцитов (рис. S3). Однако в ткани печени наблюдались небольшие изменения интенсивности окрашивания цитоплазмы, вероятно, связанные с отложениями гликогена и случайными каплями липидов. Присутствие агрегатов макрофагов было ограничено взрослыми рыбами, причем у самок их было больше, чем у самцов, но без существенных изменений из-за нитратов (таблица 3). Количество перивисцеральной жировой ткани у молоди при самой высокой концентрации нитратов было ниже, чем у молоди при других обработках (таблица 3, таблица S4).

Поведение при кормлении

Самцы, самки и молодые особи демонстрировали различия в латентном периоде, прожорливости и насыщении, но без существенных изменений из-за нитратов, за исключением самцов, начиная с шестой недели (рис. 2, таблица S1). Самцы при 50 и 250 мг NO ₃ ^— /л демонстрировали более низкие показатели сытости и более низкую прожорливость (т.е. > время, чтобы схватить добычу), чем самцы в контроле при <10 мг NO ₃ ^— /л (рис. 2). В целом, самки и молодые особи имели более высокую прожорливость и сытость, чем самцы, а молодые особи имели большее латентное время, чем взрослые (рис. 2).Самки и молодые особи также имели тенденцию к увеличению прожорливости и сытости, а также к уменьшению латентного времени на протяжении всего эксперимента по сравнению с самцами (рис. 2).

Рис. 2. Переменные поведения при кормлении в ходе эксперимента.

Символы и столбцы представляют собой средние ± 95% доверительные интервалы для каждой переменной и назначены для каждого лечения (черный: контроль, красный: 50 мг NO ₃ ^— /л, синий: 250 мг NO ₃ ^— /л). а) Задержка — это время, затраченное на захват первого продукта питания.б) Прожорливость – это время, за которое можно захватить заданное количество продуктов питания. в) Сытость – общее количество съеденных продуктов.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0211389.g002

Парные корреляции среди биомаркеров

Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена, как правило, были низкими среди всех биомаркеров, измеренных у молоди, самцов и самок рыб-москитов. Выявлена ​​сильная положительная корреляция между калориметрией и ростом (ρ = 0,73, P = 0,002), а также между калориметрией и количеством перивисцеральных жировых клеток у молоди (ρ = 0.72, р = 0,003, таблица S6). Однако была обнаружена заметная отрицательная корреляция между сытостью и латентным временем самцов (ρ = -0,78, P <0,001, таблица S7). Сильная отрицательная связь наблюдалась у самок для d ¹⁵ N и роста (ρ = -0,74, P = 0,002), хотя связь между C/N и ростом была положительной (ρ = 0,77, P <0,001, S8 Таблица ).

Обсуждение

Это первое комплексное исследование, посвященное изучению хронического воздействия нитратов на широко интродуцированные виды рыб, примером которых является восточный москит ( Gambusia holbrooki ) [28].Кроме того, это одно из немногих экотоксикологических исследований с использованием краткосрочных и долгосрочных биомаркеров (например, рост, гистопатология, анализ питания) у самок, самцов и молодых особей одного и того же вида. В целом мы не обнаружили явных клинических признаков заболевания, что подтверждает преобладающее представление о том, что многие инвазивные виды, в том числе рыбы-комары, обладают широкой устойчивостью к изменениям качества воды [28,56]. Однако тот факт, что нитраты изменяют потребление пищи или энергетические резервы у самцов и молодых особей, свидетельствует о том, что концентрации NO ₃ ^— /л >50 мг нельзя считать полностью безопасными [11,21].

Многие исследования показали, что самцы более подвержены заболеваниям, чем самки, в том числе рыбы [37,57–59]. Мы не обнаружили грубых патологических изменений ни у одной рыбы, но более выраженное воздействие нитратов на самцов подтверждает, что самцы являются более болезненным полом [35,36]. Более слабая реакция тестируемых рыб на нитраты вряд ли во многом связана с предварительной акклиматизацией к нитратам в месте сбора (9,9 ± 3,0 мг NO ₃ ^— /л), как сообщалось для амфибий [33].Однако этот исход не исключает возможности повышения толерантности к нитратам из-за предварительного воздействия других ионов, в том числе жесткости воды (см. [60]), которая высока в месте сбора и в лабораторной дехлорированной водопроводной воде из-за к известняковой геологии. Воздействие металлов и соединений хлора на рыб в животноводческих помещениях, вероятно, было незначительным, поскольку водопроводная вода фильтруется через активированный уголь, а продукт для аквариумов Sera Aquatan используется для дополнительной гарантии отсутствия металлов и хлора в воде (см. [39]).Тот факт, что молодь была более толерантна к нитратам, чем самцы, был неожиданным, поскольку молодь обычно более чувствительна к хроническому загрязнению, чем взрослые особи [26,38]. Однако 96-часовые тесты LC50 показали, что восприимчивость к нитратам увеличивается с размером тела у сибирского осетра Acipenser baeri [61]. Хотя мы не можем раскрыть механизмы мягкого воздействия нитратов на молодь, потому что метаболиты нитратов в тканях не измерялись (например, оксид азота [62]), различия в пространстве и поведении между взрослыми и молодыми могут частично объяснить результаты.Взрослые особи содержались при более низкой плотности (6 рыб в аквариуме), чем молодь (11 рыб в аквариуме), и неудивительно, что мы наблюдали более агонистические взаимодействия среди взрослых особей из-за изоляции.

Популяции рыб-комаров часто приурочены к небольшим водоемам и с преобладанием самок [63,64], в том числе в местах сбора изучаемой рыбы (авт. чел. . обсерв. .). Смещенное соотношение полов объясняется большей продолжительностью жизни самок по сравнению с самцами [65]. Мы основывались на этом знании, показав, что самки могут доминировать по численности, потому что они более терпимы, чем самцы, к загрязненным водам, где часто встречаются рыбы-комары (например, рыбы-комары).грамм. [66]). Самки рыб-комаров имели более высокую скорость кормления, чем самцы, независимо от обработки нитратами, что согласуется с предыдущими данными в чистой воде [64]. Учитывая, что более высокие скорости выделения азота были зарегистрированы у самок [64], возможно, что толерантность к нитратам из окружающей среды можно предсказать по скорости выделения азота у рыб. Тем не менее, чувствительность диких рыб к нитратам, вероятно, зависит от многих факторов, включая температуру, хищничество и тот факт, что паразит, оказывающий более сильное воздействие на самцов, чем на самок [37], более чувствителен к нитратам, чем рыба-хозяин [32].В отличие от основной литературы, в которой внешние факторы, кроме поллютантов, часто не включаются в токсикологические анализы [27], в нашем исследовании учитывались внутривидовые взаимодействия; то есть несколько человек подвергались воздействию нитратов в одном и том же аквариуме, а не рыбы по отдельности. Агонистические взаимодействия, вероятно, являются одними из наиболее важных факторов, объясняющих G . holbrooki наряду с сексом, потому что самки более агрессивны по отношению к сородичам, чем самцы [67].Это может объяснить, почему во время эксперимента погибло больше самок, чем самцов, хотя смертность существенно не различалась в зависимости от лечения.

Нитраты в большей степени влияли на характеристики питания, чем другие биомаркеры, измеренные у самцов рыб-комаров, что подтверждает тот факт, что потребление пищи является одним из наиболее чувствительных биомаркеров в экотоксикологии [68,69]. Хотя мы не можем определить механизмы, это может быть реакцией, опосредованной гормонами стресса (например, кортизолом), поскольку высокие уровни этих гормонов часто снижают аппетит у рыб и других животных [70].Однако уровень кортизола оставался стабильным у самок сибирского осетра ( Acipenser baeri ) после 30-дневного воздействия 250 мг NO ₃ ^— /л, в отличие от половых гормонов тестостерона и эстрадиола [24]. Кроме того, имеются соответствующие данные о снижении количества сперматозоидов у самцов рыб-комаров при < 22 мг NO ₃ ^— /л [29]. Эти исследования показывают, что нитрат является эндокринным разрушителем за счет превращения in vivo в оксид азота, который участвует во многих метаболических путях [71]. если бы мы использовали биохимические биомаркеры.Тем не менее, многие биохимические изменения часто не оказывают далеко идущего воздействия на особей, по этой причине они считаются менее важными для экологии, чем поведенческие тесты, включая измеренные нами характеристики питания [27].

Несмотря на то, что рыбы различались по потреблению корма при обработке нитратами, мы не наблюдали явных признаков болезни, включая снижение роста рыб. Снижение потребления пищи у мужчин может быть связано с усталостью, поскольку нитраты образуют метгемоглобин, который переносит кислород хуже, чем гемоглобин [19].Тем не менее, рыбы могут справиться с умеренной метгемоглобинемией [72], особенно в жесткой воде, такой как наша в лаборатории, что может смягчить побочные эффекты нитратов [60]. Ожидалось, что у рыб-комаров уменьшится рост, поскольку поглощение йода, необходимого для функций щитовидной железы и развития животных, изменяется под действием нитратов, но концентрации до 11 мг NO ₃ ^— /л не нарушали функцию щитовидной железы у окуней ( Perca fluviatilis ) и карась ( Carassius carassius ) [73].Нейтральное влияние нитратов на рост рыб-комаров, которое мы наблюдали, согласуется с данными Freitag et al. [74], которые обнаружили, что концентрации до 450 мг NO ₃ ^— /л не влияли на уровень гормонов щитовидной железы у атлантического лосося ( Salmo salar ). Наш результат также согласуется с исследованиями других пресноводных таксонов, показывающими, что влияние нитратов на рост и выживаемость проявляется при > 500 мг NO ₃ ^— /л (например, [31,75–77]). Однако нейтральное воздействие нитратов на рыбу-комара не исключает возможности того, что рыба, подвергшаяся воздействию нитратов, может снизить свою способность справляться с другими загрязнителями, если нитрат изменяет внутренний ионный состав рыбы за счет осморегуляции и, возможно, нарушает важные ферментативные комплексы, такие как те, кто занимается детоксикацией [62].

Гистопатологический анализ не выявил релевантных тканевых изменений, поскольку небольшой подъем эпителия и другие изменения, которые мы видели, не являются патологическими, а являются артефактами тканевой обработки (см. [78]). Изменения калорийности соответствовали только гистологическим данным для молоди при дозе 250 мг NO ₃ ^— /л, что приводило к снижению энергетических запасов, о чем также свидетельствует содержание периферического жира, но без существенных изменений δ ¹³ C и δ ^{15 90 153 N мер мышечной массы у рыб при любой комбинации обработки.Эти данные свидетельствуют о том, что ни одна ткань не может быть хорошим индикатором общих запасов энергии рыбы, поскольку они сильно различаются между тканями [50]. Более того, наши результаты подтвердили, что ни один биомаркер, включая индексы соотношения массы и длины, такие как SMI, не может точно отражать «истинное состояние» без анализа состава тела [27,44]. Отсутствие реакции SMI можно объяснить тем фактом, что нитраты не оказали заметного влияния на вес рыбы, возможно, потому, что, несмотря на то, что рыба уменьшала потребление пищи, ее кормили ежедневно до насыщения.Однако биохимический состав тканей рыб мог измениться из-за нитратов, потому что загрязняющие вещества часто изменяют стехиометрию тканей [52] с потенциальными далеко идущими последствиями для рыб-хищников. В связи с этим у молоди рыб-комаров изменилось содержание энергии в тканях, но потребление пищи или рост не были затронуты, что позволяет предположить, что рост имеет приоритет над накоплением липидов, вероятно, для снижения зависящей от размера смертности от хищников [79].}

В нашем исследовании энергетические затраты, вероятно, в основном связаны с внутривидовыми взаимодействиями и осморегуляцией за счет нитратов.Стоимость осморегуляции, вероятно, была вызвана в основном нитратом аниона (NO ₃ ^— , см. [80]) и, в меньшей степени, катионом натрия (Na ⁺ ) соли (NaNO ₃ ) . Концентрация натрия при самой высокой концентрации нитрата была ниже 1 части на тысячу (ppt), и нет никаких экспериментальных доказательств серьезных изменений в метаболизме рыб-комаров при 20 ppt [81] или в осмотической концентрации плазмы камаров при 10 ppt [82]. Неожиданно мы обнаружили, что калорийность самцов была выше при 50 мг NO ₃ ^— /л, чем при 250 мг NO ₃ ^— /л, а в контроле при <10 мг NO ₃ ^— /л.Снижение калорийности у самцов при 250 мг NO ₃ ^— /л по сравнению с 50 мг NO ₃ ^— /л может быть связано с затратами осморегуляции на повышение концентрации нитратов. Однако это объяснение не объясняет, почему самцы при 250 мг NO ₃ ^— /л имели такое же содержание калорий, что и контрольные особи при <10 мг NO _{3 3} ^— /л, хотя последние имели самые высокие показатели кормления в исследовании. Меньший запас энергии означает, что самцы с дозой <10 мг NO ₃ ^— /л имели дополнительные затраты, чем те, что получали 50 мг NO ₃ ^— /л, что может быть демонстрацией ухаживания.Контрольные самцы были репродуктивно активны, и мы наблюдали попытки копуляции с другими самцами, поведение, которое часто наблюдается у самцов пецилий в отсутствие самок [83]. Демонстрация ухаживания имеет энергетическую стоимость [84,85], которая, вероятно, была снижена при дозе 50 мг NO ₃ ^— /л, поскольку нитрат даже в более низких концентрациях снижает уровень тестостерона [62,86], а этот гормон способствует развитию половых признаков. мужчин.

Выводы

Наше исследование показывает, что самки инвазивной рыбы G . holbrooki более устойчивы к загрязнению нитратами, чем самцы и молодые особи, но все они проявляют слабые эффекты сочетания краткосрочных и долгосрочных биомаркеров. Таким образом, экологическое воздействие этой инвазивной рыбы, по-видимому, не сильно зависит от загрязнения нитратами, особенно если популяции ориентированы на самок. Однако наше исследование не может сообщить о косвенном влиянии нитратов на G . holbrooki за счет изменения водных пищевых сетей, включая возможное сокращение численности добычи, сопровождающееся нарушением приема пищи у самцов.Существует острая необходимость в скрининге аномики (например, транскриптомике) для одновременного выявления всех метаболических путей, которые изменяются у рыб, подвергшихся воздействию нитратов, с целью улучшения понимания механизмов воздействия этих широко распространенных субсидий и загрязняющих веществ в водных экосистемах.

Благодарности

Мы благодарим сотрудников приюта для животных, особенно Джорди Гвинею. Мы также благодарим лаборанта Селию Аркаронс за обработку гистологического образца, а также Мерсе Дюрфор и Хорди Корреас за руководство гистологическими методами.Калориметрический анализ бомбы был выполнен под руководством Ксавьера Ремесара и Розы М. Маримон. Мы также благодарим Пили Рубио за обработку стабильных изотопов, Хелену Саторрас и Монику Утьес за редактирование изображений и Марио Монроя за помощь в сборе рыбы и лабораторных процедурах. Мы также хотели бы поблагодарить двух анонимных рецензентов за их предложения по этому тексту.

Каталожные номера

1. 1. Смит В.Х., Тилман Г.Д., Некола Дж.К. Эвтрофикация: воздействие избыточного поступления питательных веществ на пресноводные, морские и наземные экосистемы.Загрязнение окружающей среды 1999 г.; 100 (1–3): 179–196. пмид:15093117
2. 2. Синха Э., Михалак А.М., Баладжи В. Эвтрофикация увеличится в 21 веке в результате изменения количества осадков. Наука 2017; 357 (6349): 405–408. пмид:28751610
3. 3. Galloway JN, Schlesinger WH, Levy H, Michaels A, Schnoor JL. Фиксация азота: антропогенное усиление – реакция окружающей среды. Глобальные биогеохимические циклы, 1995 г.; 9(2): 235–252.
4. 4. Пакетт Л.Дж.Выявление основных источников биогенного загрязнения воды. Экологические науки и технологии, 1995 г .; 29(9): 408А–414А.
5. 5. Филдс С. Глобальный азот: цикличность выходит из-под контроля. Перспективы гигиены окружающей среды, 2004 г.; 112 (10): А556–А563. пмид:15238298
6. 6. Колквиц Р., Марссон М. Ökologie der tierischen Saprobien. Beiträge zur Lehre фон дер биологических Gewässerbeurteilung. Internationale Revue der Gesamten Hydrobiologie und Hydrographie 1909; 2(1–2): 126–152.
7. 7. Маргалеф Р. Лимнология. Барселона: Ediciones Omega; 1983.
8. 8. Смит В.Х., Шиндлер Д.В. Наука эвтрофикации: куда мы идем дальше? Тенденции экологии и эволюции 2009; 24(4): 201–207. пмид:19246117
9. 9. ОЭСР. Эвтрофикация вод: мониторинг, оценка и контроль. Заключительный отчет. Париж, Франция: Организация экономического сотрудничества и развития; 1982.
10. 10. Европейская комиссия. Директива Совета 91/676/ЕЕС от 12 декабря 1991 г. о защите вод от загрязнения нитратами из сельскохозяйственных источников.Официальный журнал Европейских сообществ, 1991 г.; 375, 1–8.
11. 11. Камарго Х.А., Алонсо А. Экологические и токсикологические последствия загрязнения неорганическим азотом водных экосистем: глобальная оценка. Международная организация по окружающей среде 2006 г.; 32(6): 831–849. пмид:16781774
12. 12. Мур А.П., Брингольф Р.Б. Влияние нитратов на прикрепление глохидий пресноводных мидий и успех метаморфоза на ювенильной стадии. Загрязнение окружающей среды 2018; 242: 807–813. пмид:30032077
13. 13.Ли Д.Р., Барретт С.Б. Компромиссы или синергия? Интенсификация сельского хозяйства, экономическое развитие и окружающая среда. КАБИ; 2001.
14. 14. Хонда Х., Ватанабэ Ю., Кикути К., Ивата Н., Такеда С., Умото Х. и др. Высокоплотное выращивание японской камбалы Paralichthys Olivaceus с закрытой системой рециркуляции морской воды, оснащенной установкой денитрификации. Наука об аквакультуре, 1993 г.; 41(1): 19–26.
15. 15. Agència Catalana de l’Aigua.2014, 20 сентября. В: Каталонское водное агентство. Интерактивные приложения [Интернет]. Доступно по адресу: http://aca-web.gencat.cat/sdim21/seleccioXarxes.do.
16. 16. Европейская комиссия. 20 сентября 2018 г. В: Отчет комиссии Совету и Европейскому парламенту о выполнении Директивы Совета 91/676/ЕЭС о защите вод от загрязнения, вызванного нитратами из сельскохозяйственных источников, на основе отчетов государств-членов за период 2012 г. –2015 [Интернет].Доступно по адресу: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/en/TXT/?uri=CELEX:52018DC0257.
17. 17. Группа защиты дель Тер. 2018, 20 сентября. В: Концентрация нитратов в источниках Осона [Интернет]. Доступно по адресу: https://www.gdter.org/wp/wp-content/uploads/GDT-NITRATS-OSONA-01-2018.pdf.
18. 18. Агентство по охране окружающей среды США. Закон о безопасной питьевой воде. Публичное право 1974 года; 93–523.
19. 19. Краун Г.Ф., Грейтхаус Д.Г., Гундерсон Д.Х. Уровни метгемоглобина у маленьких детей, потребляющих колодезную воду с высоким содержанием нитратов в Соединенных Штатах.Международный журнал эпидемиологии 1981; 10(4): 309–317. пмид:7327829
20. 20. Родригес-Эстиваль Дж., Мартинес-Аро М., Мартин-Эрнандо М.П., ​​Матео Р. Субхроническое воздействие нитратов в питьевой воде на красноногих куропаток ( Alectoris rufa ): окислительный стресс и иммунная функция, опосредованная Т-клетками. Экологические исследования 2010 г.; 110(5): 469–475. пмид:20382380
21. 21. Поулсен Р., Седергрин Н., Хейс Т., Хансен М. Нитраты: эндокринный разрушитель окружающей среды? Обзор фактических данных и потребностей в исследованиях.Науки и технологии окружающей среды 2018; 52(7): 3869–3887. пмид:29494771
22. 22. Терстон Р.В., Руссо Р.С., Виноградов Г.А. Токсичность аммиака для рыб. Влияние рН на токсичность неионизированных видов аммиака. Экологические науки и технологии 1981; 15(7): 837–840.
23. 23. Дженсен ФБ. Поглощение и действие нитритов и нитратов на животных. Азотистый обмен и экскреция. В: Уолш П.Дж., Райт П., редакторы. Азотистый обмен и экскреция. Бока-Ратон: CRC Press; 1995.стр. 289–303.
24. 24. Hamlin HJ, Moore BC, Edwards TM, Larkin IL, Boggs A, High WJ, et al. Вызванное нитратами повышение концентрации циркулирующих половых стероидов у самок сибирского осетра ( Acipenser baeri ) в коммерческой аквакультуре. Аквакультура 2008; 281 (1–4): 118–125.
25. 25. Secondi J, Lepetz V, Cossard G, Source S. Нитраты влияют на ухаживание и дыхание, но не на способность убегать у взрослых тритонов. Поведенческая экология и социобиология 2013; 67 (11): 1757–1765.
26. 26. Ферар Дж. Ф., Блез С. Энциклопедия водной экотоксикологии. Дордрехт, Нидерланды: Springer; 2013.
27. 27. Колин Н., Порте С., Фернандес Д., Барата С., Падрос Ф., Каррассон М. и др. Экологическая значимость биомаркеров в мониторинговых исследованиях макробеспозвоночных и рыб рек Средиземноморья. Наука об окружающей среде 2016; 540: 307–323. пмид:26148426
28. 28. Пайк ГХ. Чумной гольян или рыба-комар? Обзор биологии и воздействия интродуцированных видов Gambusia.Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики, 2008 г.: 39 (1): 171–191.
29. 29. Edwards TM, Guillette LJ Jr. Репродуктивные характеристики самцов рыб-комаров ( Gambusia holbrooki ) из загрязненных нитратами источников во Флориде. Водная токсикология 2007 г.; 85(1): 40–47. пмид:17767965
30. 30. Хорд Н.Г., Бивер Л., Акстон Э., Труонг Л., Сент-Мари Л., Тангуай Р. и др. Воздействие нитратов и нитритов влияет на когнитивное поведение и потребление кислорода во время упражнений у рыбок данио.Журнал FASEB 2017; 31 (1_дополнение): 277 фунтов стерлингов.
31. 31. Перейра А., Карвалью А.П., Круз С., Сарайва А. Гистопатологические изменения и зоотехнические показатели у молодых рыбок данио ( Danio rerio ) при хроническом воздействии нитратов. Аквакультура 2017; 473: 197–205.
32. 32. Смоллбоун В., Кейбл Дж., Маседа-Вейга А. Хроническое обогащение нитратами снижает тяжесть и обеспечивает защиту от инфекционного заболевания. Международная выставка окружающей среды 2016 г.; 91: 265–270.пмид:26995268
33. 33. Йоханссон М., Расанен К., Мерила Дж. Сравнение толерантности к нитратам между различными популяциями обыкновенной лягушки, Rana temporaria . Водная токсикология 2001; 54 (1–2): 1–14. пмид:11451421
34. 34. Кутельек М.А., Барата С. Введение в эволюционные процессы в экотоксикологии. Экотоксикология 2011; 20(3): 493–496. пмид:21416110
35. 35. Бейтман А.Дж. Внутриполовой отбор у дрозофилы. Наследственность 1948; 2: 349–368.пмид:18103134
36. 36. Принцип Рольфа Дж. Бейтмана и иммунитет. Труды Королевского общества B: биологические науки, 2002 г .; 269 ​​(1493): 867–872. пмид:11958720
37. 37. Стивенсон Дж. Ф., Кинселла С., Кейбл Дж., Ван Остерхаут С. Дальнейшая цена за больной секс? Доказательства уязвимости к хищникам, вызванной паразитами, вызванной самцами. Экология и эволюция 2016; 6(8): 2506–2515. пмид:27066240
38. 38. Макким Дж. М. Оценка тестов с рыбами на ранних стадиях жизни для прогнозирования долговременной токсичности.Журнал Совета по исследованиям рыболовства Канады, 1977 год; 34(8): 1148–1154.
39. 39. Нога Э.Дж. Болезни рыб: диагностика и лечение. Джон Уайли и сыновья; 2011.
40. 40. Gobierno de España. Реальный декрет 1628/2011, де 14 ноября, пор эль Que себе regula эль listado у каталога español де especies exóticas invasoras. Банк Англии 2011 г.; 298.
41. 41. Bouraoui F, Grizzetti B, Aloe A. Сброс питательных веществ из рек в моря за 2000 год. Научно-технические отчеты JRC, Европейская комиссия; 2009.
42. 42. ВОЗ. Руководство по качеству питьевой воды: первое дополнение к третьему изданию. Том. 1, Рекомендации. Всемирная организация здравоохранения; 2006.
43. 43. Хопкинс КД. Отчет о росте рыбы: обзор основ. Журнал Всемирного общества аквакультуры 1992; 23(3): 173–179.
44. 44. Пейг Дж., Грин А.Дж. Новые перспективы оценки состояния тела по данным массы/длины: масштабированный индекс массы как альтернативный метод. Ойкос 2009; 118 (12): 1883–1891.
45. 45. Сообщение ДМ. Использование стабильных изотопов для оценки трофического положения: модели, методы и предположения. Экология 2002; 83(3): 703–718.
46. 46. Ганнес Л.З., О’Брайен Д.М., Дель Рио К.М. Стабильные изотопы в экологии животных: предположения, предостережения и призыв к дополнительным лабораторным экспериментам. Экология 1997; 78 (4): 1271–1276.
47. 47. Gaye-Siessegger J, Focken U, Muetzel S, Abel H, Becker K. Уровень питания и индивидуальная скорость метаболизма влияют на значения δ ¹³ C и δ ¹⁵ N у карпа: последствия для исследований пищевой сети.Экология 2004; 138(2): 175–183. пмид:14608500
48. 48. Фокен У., Беккер К. Метаболическое фракционирование стабильных изотопов углерода: последствия различных приблизительных составов для исследований водных пищевых сетей с использованием данных δ ¹³ C. Экология 1998; 115(3): 337–343. пмид:28308424
49. 49. Кано-Рокабайера О., Маседа-Вейга А., де Состоа А. Рыбьи плавники и чешуя как нелетальные образцы тканей для анализа стабильных изотопов у пяти видов рыб северо-востока Испании.Экологическая биология рыб 2015; 98(3): 925–932.
50. 50. Уоллес П.Д., Халм Т.Дж. Соотношение жир/вода у скумбрии, Scomber scombrus (L.), сардины, Sardina pilchardus (Walbaum) и кильки, Sprattus sprattus (L.), а также сезонные колебания содержания жира в зависимости от размера и зрелости. Управление исследований рыболовства, Лоустофт, 1977 г.; 35: 1–10
51. 51. Durfort M. Iniciació les tècniques histològiques растительных и животных.Барселона: Институт каталонского образования; 2006.
52. 52. Стормер Дж., Дженсен Ф.Б., Рэнкин Дж.С. Поглощение нитритов, нитратов и бромидов радужной форелью (Oncorhynchus mykiss): влияние на ионный баланс. Канадский журнал рыболовства и водных наук, 1996 г.; 53 (9): 1943–1950.
53. 53. Основная команда R. 2018 Сентябрь 20. В: R: Язык и среда для статистических вычислений. R Foundation for Statistical Computing, Вена, Австрия [программное обеспечение]. Доступно по адресу: http://www.R-project.org/.
54. 54. Зуур А.Ф., Иено Э.Н., Уокер Н., Савельев А.А., Смит Г.М. Модели смешанных эффектов и расширения в области экологии с Р. Нью-Йорк: Springer; 2009. https://doi.org/10.1007/978-0-387-87458-6
55. 55. Фокс Дж., Вайсберг С. В: Компаньон R для прикладной регрессии, 2 ^{-е издание} [программное обеспечение]. Тысяча дубов, Калифорния: Шалфей; 2011. Доступно по адресу: http://socserv.socsci.mcmaster.ca/jfox/Books/Companion
56. 56. Марчетти М.П., ​​Мойл П.Б., Левин Р.Чужеродные рыбы в водоразделах Калифорнии: характеристики успешных и неудавшихся захватчиков. Экологические приложения 2004; 14(2): 587–596.
57. 57. Наказава Т., Хамагути С., Кионо-Хамагути Ю. Гистохимия опухолей печени, индуцированных диэтилнитрозамином, и дифференциальная половая предрасположенность к канцерогенезу у Oryzias latipes . Журнал Национального института рака, 1985 г.; 75 (3): 567–573. пмид:2993731
58. 58. Перкинс Э.Дж., Гриффин Б., Хоббс М., Голлон Дж., Вулфорд Л., Шленк Д.Половые различия в смертности и сублетальном стрессе у канальных сомов после 10-недельного воздействия сульфата меди. Водная токсикология 1997; 37(4): 327–339.
59. 59. Кляйн С.Л., Фланаган К.Л. Половые различия в иммунных реакциях. Nature Reviews Immunology 2016; 16(10): 626–638. пмид:27546235
60. 60. Бейкер Дж. А., Гилрон Г., Чалмерс Б. А., Элфик Дж. Р. Оценка влияния типа воды на токсичность нитратов для гидробионтов. Хемосфера 2017; 168: 435–440.пмид:27810544
61. 61. Хэмлин ХДж. Токсичность нитратов у сибирского осетра ( Acipenser baeri) . Аквакультура 2006; 253: 688–693.
62. 62. Эдвардс ТМ, Хэмлин Х.Дж. Репродуктивная эндокринология нитратов окружающей среды. Общая и сравнительная эндокринология 2018; 265: 31–40. пмид:29577898
63. 63. Варгас М.Дж., де Состоа А. История жизни Gambusia holbrooki (Pisces, Poeciliidae) в дельте Эбро (СВ Пиренейского полуострова).Гидробиология 1996; 341(3): 215–224.
64. 64. Fryxell DC, Arnett HA, Apgar TM, Kinnison MT, Palkovacs EP. Изменение соотношения полов определяет экологические последствия глобально интродуцированной пресноводной рыбы. Труды Королевского общества B: биологические науки, 2015 г .; 282(1817): 20151970. pmid:264
65. 65. Хейнс Дж.Л., Кэшнер Р.С. История жизни и динамика популяций западного гамбургера: сравнение естественных и интродуцированных популяций. Журнал биологии рыб, 1995 г.; 46(6): 1026–1041.
66. 66. Маседа-Вейга А., Басельга А., Соуза Р., Вила М., Доадрио I, де Состоа А. Мелкомасштабные детерминанты природоохранной ценности речных участков в очаге разнообразия местных и неместных видов. Наука об окружающей среде 2017; 574: 455–466. пмид:27644023
67. 67. Смит CC, Сарджент RC. Приспособленность самок снижается с увеличением плотности самок, но не с преследованием самцов западной рыбы-москита, Gambusia affinis . Поведение животных 2006; 71: 401–407.
68. 68. Кестемонт П., Барас Э. Факторы окружающей среды и потребление корма: механизмы и взаимодействие. В: Хулихан Д., Бужар Т., Джоблинг М., редакторы. Прием пищи рыбой. Блэквелл Сайенс Лтд; 2001. стр. 131–156. https://doi.org/10.1002/9780470999516.ch6
69. 69. Лал СП. Нарушения питания и обмена веществ. В: Leatherland JF, Woo TF, редакторы. Болезни и расстройства рыб, том 2. Университет Гвельфа, Канада: CABI; 2010. С. 202–237. https://doi.org/10.1079/9781845935535.0202
70. 70. Бернье Нью-Джерси. Регуляция приема пищи и расстройства. В: Leatherland JF, Woo TF, редакторы. Болезни и расстройства рыб, том 2. Университет Гвельфа, Канада: CABI; 2010. С. 238–266. https://doi.org/10.1079/9781845935535.0238
71. 71. Guillette LJ Jr, Эдвардс ТМ. Является ли нитрат экологически значимым эндокринным разрушителем у позвоночных? Интегративная и сравнительная биология 2005; 45(1): 19–27. пмид:21676740
72. 72. Эдди Ф.Б., Уильямс Э.М.Нитриты и пресноводная рыба. Химия и экология 1987; 3(1): 1–38.
73. 73. Лахти Э., Харри М., Линдквист О.В. Поглощение и распределение радиоактивного йода и влияние нитратов окружающей среды на некоторые виды рыб. Сравнительная биохимия и физиология. Часть А: физиология, 1985; 80(3): 337–342.
74. 74. Фрайтаг А.Р., Тайер Л.Р., Леонетти С., Стэплтон Х.М., Хэмлин Х.Дж. Влияние повышенного содержания нитратов на эндокринную функцию атлантического лосося, Salmo salar . Аквакультура 2015; 436: 8–12.
75. 75. Hrubec TC, Smith SA, Robertson JL. Токсичность нитратов: потенциальная проблема рециркуляционных систем. Северо-восточная региональная служба сельскохозяйственного машиностроения Итака — Публикации — НРАЭС, 1996 г .; 1(98): 41–48.
76. 76. Скотт Г., Кранкилтон Р.Л. Острая и хроническая токсичность нитратов для толстоголовых гольянов ( Pimephales promelas ), Ceriodaphnia dubia и Daphnia magna . Экологическая токсикология и химия 2000; 19(12): 2918–2922.
77. 77. Шимура Р., Идзири К., Мизуно Р., Нагаока С. Исследования водных животных на космической станции и их проблемы — акцент на технологии поддержки токсичности нитратов. Достижения в области космических исследований 2002 г .; 30(4): 803–808. пмид:12530377
78. 78. Вольф Дж. К., Баумгартнер В. А., Блейзер В. С., Камю А. С., Энгельхардт Дж. А., Фурни Дж. В. и др. Отсутствие поражений, ошибочные диагнозы, пропущенные диагнозы и другие проблемы интерпретации в исследованиях гистопатологии рыб: руководство для исследователей, авторов, рецензентов и читателей.Токсикологическая патология 2015; 43: 297–325. пмид:25112278
79. 79. Мартин Б.Т., Хайнц Р., Даннер Э.М., Нисбет Р.М. Интеграция запасов липидов в общие представления об энергетике рыб. Журнал экологии животных 2017; 86: 812–825. пмид:28326538
80. 80. Дженсен ФБ. Функции нитритов и эритроцитов у карпа: факторы, контролирующие проникновение нитритов, проникновение через мембраны ионов калия, сродство к кислороду и образование метгемоглобина. Журнал экспериментальной биологии 1990; 152(1): 149–166.
81. 81. Акин С., Нил В.Х. Обычный метаболизм рыбы-комара ( Gambusia affinis ) при трех разных соленостях. Техасский научный журнал, 2003 г.; 55: 255–226.
82. 82. Нордли Ф.Г., Миранди А. Соотношение солености в пресноводной популяции восточных рыб-москитов. Журнал биологии рыб, 1996 г.; 49: 1226–1232.
83. 83. Филд К.Л., Уэйт Т.А. Отсутствие самок сородичей вызывает гомосексуальное поведение у самцов гуппи. Поведение животных 2004; 68: 1381–1389.
84. 84. Кристиансен Дж.С., Йоргенсен Э.Х., Джоблинг М. Потребление кислорода в связи с длительными физическими упражнениями и социальным стрессом у арктического гольца ( Salvelinus alpinus L.). Журнал экспериментальной зоологии 1991; 260(2): 149–156.
85. 85. Халлер Дж. Биохимический фон для анализа взаимосвязей затрат и выгод при агрессии. Обзоры нейробиологии и биоповедения 1995 г.; 19(4): 599–604.
86. 86. Панесар Н.С., Чан К.В. Снижение синтеза стероидных гормонов из неорганических нитритов и нитратов: исследования in vitro и in vivo .Токсикология и прикладная фармакология 2000; 169: 222–230. пмид:11133344

Нитрат ручья Айова и Мексиканский залив

Abstract

Основная цель этой работы состояла в том, чтобы количественно оценить и обновить вклад нитратного азота сельскохозяйственного штата Айова на Среднем Западе США в речную сеть Миссисипи на фоне продолжающейся проблемы гипоксии Мексиканского залива. Для достижения этой цели мы использовали данные о содержании нитратов и стоках, собранные с 1999 по 2016 год на 23 участках ручьев Айовы вблизи устьев водоразделов, а также общедоступные данные для участков вниз по течению от Айовы на реках Миссури и Миссисипи.Наш анализ показывает, что на долю Айовы приходится от 11 до 52 % долгосрочной нагрузки нитратами в бассейне Миссисипи-Ачафалайя, от 20 до 63 % в верхнем бассейне реки Миссисипи и от 20 до 89 % в бассейне реки Миссури, при этом в среднем 29, 45 и 55% соответственно. С 1999 года нитратные нагрузки в бассейнах, включающих Айову, увеличились, и это увеличение, по-видимому, не вызвано изменениями стока и интенсивности выращивания сельскохозяйственных культур, уникальными для Айовы. Среднее годовое содержание нитратов в Айове за 5 лет превышало уровень 2003 г. в течение десяти лет подряд, что означает, что целевые показатели площади гипоксии в Персидском заливе, также основанные на среднем годовом значении за 5 лет, будет очень трудно достичь, если удержание нитратов не может быть достигнуто. быть улучшена в Айове.У землеустроителей, политиков и защитников окружающей среды существует возможность продемонстрировать положительное влияние на качество воды, ориентируясь и внедряя методы снижения содержания нитратов в таких районах, как Айова, избегая при этом районов, которые с меньшей вероятностью повлияют на гипоксию Мексиканского залива.

Образец цитирования: Джонс К.С., Нильсен Дж.К., Шиллинг К.Е., Вебер Л.Дж. (2018) Нитраты потока Айовы и Мексиканский залив. ПЛОС ОДИН 13(4): e0195930. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195930

Редактор: Xiujun Wang, Пекинский педагогический университет, КИТАЙ

Получено: 5 января 2018 г.; Принято: 3 апреля 2018 г .; Опубликовано: 12 апреля 2018 г.

Авторское право: © 2018 Jones et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все данные о качестве воды штата Айова доступны по адресу (https://programs.iowadnr.gov/iastoret/). Данные USGS о расходах по Айове доступны по адресу: (https://waterdata.usgs.gov/ia/nwis/current/?type=flow). Данные USGS о воде доступны по адресу: (https://cida.usgs.gov/quality/rivers/mississippi). Данные о посевных площадях: (https://quickstats.nass.usda.gov/).

Финансирование: Эта работа была поддержана Исследовательским центром питательных веществ Айовы для CSJ. Спонсор не участвовал в разработке дизайна исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Эвтрофикация побережья Мексиканского залива, вызванная обогащением биогенными веществами рек Миссисипи и Атчафалая, наблюдается и документируется по крайней мере с 1974 г. [1,2]. Воды у побережья Луизианы деградируют, поскольку макроводоросли и фитопланктон используют богатую питательными веществами воду, а бактериальное потребление их остатков потребляет растворенный кислород (DO) [3].В результате морские пищевые сети изменяются [4], подвижные виды бегут [5,6], а неподвижные виды гибнут [7] в районах, где уровни DO падают ниже 2 мг л ^-1 (зоны гипоксии/гипоксии). К экономическим последствиям можно отнести снижение промысловых уловов и отказ от пополнения ценных видов [8].

В 2001 году Целевая группа по питанию водосбора реки Миссисипи/Мексиканского залива, консорциум племен и федеральных агентств и агентств штата, выпустила План действий [9], призванный служить стратегией сокращения гипоксических зон.Долгосрочная цель группы состояла в том, чтобы сократить площадь Персидского залива, где DO < 2 мг л ^-1 , до 5000 км ² к 2015 году. Basin (MARB) продолжают выполнять план 2008 года. По состоянию на 2017 г. среднегодовой размер гипоксической области за 5 лет практически не изменился с 1994 г., и Целевая группа продлила целевую дату до 2035 г. [9].

Хотя вносят свой вклад фосфор, кремнезем и физические факторы, гипоксия в Персидском заливе в значительной степени обусловлена ​​азотными нагрузками, главным образом нитратным азотом (NO3-N), доставляемым рекой Миссисипи и ее притоком Атчафалая [10,11].Основным источником этого NO3-N являются пропашные культуры кукурузного пояса США [12,13]. Согласно Плану действий 2001 г., для достижения площадных целей потребуется 30-процентное сокращение нагрузки азотом; последующие исследования показали, что, вероятно, необходимо снижение на 45% [14,15,16]. Поскольку поступление NO3-N в ручьи происходит в основном из широко разбросанных неточечных источников, таких как неглубокие грунтовые воды и дренажные линии фермерских полей [12,17], нормативных актов, регулирующих его сброс в сеть ручьев, немного. Таким образом, снижение нагрузки NO3-N зависело от добровольного внедрения передовых методов управления (BMP) фермерами в MARB [16].До сих пор было трудно документировать снижение нагрузки NO3-N, связанное с политикой, не зависящей от колебаний погоды [18].

Западный штат Корнбелт штата Айова является крупным производителем кукурузы ( Zea mays L.) и соевых бобов ( Glycine max [L.] Merr.) и часто превосходит все остальные штаты США по общему количеству собранного урожая в каждом из этих культур [19]. Штат также является ведущим производителем яиц и свинины и четвертым по величине производителем откормочного скота [19]. Приблизительно 90% потока NO3-N в штате может быть получено из 72% земель штата, занятых выращиванием сельскохозяйственных культур [20].Предыдущие исследования в Айове показали, что нагрузка NO3-N на водосборный бассейн напрямую связана с площадью, возделываемой под кукурузу и сою [21,22]. Эта интенсивная выработка углеводов и белков привела к тому, что состояние стало ведущим фактором нагрузки MARB NO3-N и гипоксии Персидского залива [23].

Предыдущие исследователи оценили вклад Айовы в загрузку MARB. В Стратегии сокращения содержания питательных веществ штата Айова (INRS) [20] указано, что средний вклад NO3-N в штате Айова составляет 280 000 Мг/год ^-1 , что составляет примерно 29% нагрузки MARB, рассчитанной Тернером и Рабале [24].Гулсби и др. [25] использовали множественные регрессионные модели, чтобы оценить совокупную среднюю нагрузку из Айовы и соседнего штата Иллинойс, которая составляет 35 процентов от общей нагрузки, поступающей в Мексиканский залив из MARB. Весы [26] использовали данные мониторинга воды за 1990-е годы, чтобы сообщить о ежегодных нагрузках NO3-N в Айове в диапазоне от 200 000 до 230 000 Мг (25% от общего количества MARB). Совсем недавно Джонс и др. [22] оценили нагрузку NO3-N в потоке Айовы в 2016 году в 477 000 Мг, что эквивалентно 41 проценту того, что было доставлено в Персидский залив.

Хотя некоторые недавние исследования позволили количественно оценить тенденции нагрузки в нескольких крупных внутренних речных бассейнах Айовы, т.е. Спраг и др. [18] и Джонс и соавт. [27], и в нескольких работах оценивались тенденции концентрации [28,29,30,31], насколько нам известно, в последнее время не предпринималось попыток количественно определить тенденции вклада штата Айова в нагрузки MARB NO3-N и гипоксию Мексиканского залива. Поскольку разработка стратегии и политики, направленная на достижение целей Целевой группы по питательным веществам в бассейне реки Миссисипи/Мексиканского залива, осуществляется на уровне штатов (т.е. INRS) [20], оценка нагрузки NO3-N по всему штату с использованием эмпирических данных о качестве и количестве воды имеет решающее значение для оценки эффективности этих усилий и обеспечения ответственности за них. Таким образом, цель нашего исследования состояла в том, чтобы использовать долгосрочные (1999–2016 гг.) измерения концентрации NO3-N и расхода на 23 участках реки Айова для оценки тенденций нагрузки и вклада Айовы в нагрузки MARB и гипоксию Мексиканского залива, чтобы количественно оценить эффективность INRS и информировать будущие политические инициативы, направленные на улучшение качества воды в государственном и региональном масштабах.В рамках этого мы также количественно оценили долгосрочный вклад Айовы в Верхний Миссисипи (UMRB) и впервые, насколько нам известно, в бассейн реки Миссури (MoRB).

Методы

Область исследования

Всего было оценено 23 водосборных бассейна штата Айова. Эти участки показаны на рис. 1 и перечислены в таблице 1. В совокупности они покрывают 79,8% площади штата Айова и имеют размеры от 89 (Блади-Ран-Крик) до 34 751 км ² (река Де-Мойн). Двенадцать впадают в реку Верхний Миссисипи и 11 в реку Миссури.Были представлены все основные формы рельефа штата Айова [32].

Посевные площади

Площади под кукурузу и сою на Среднем Западе США (Северная Дакота-Северная Дакота, Южная Дакота-Южная Дакота, Миннесота-Миннесота, Айова-Айленд, Небраска-Небраска, Канзас-Канзас, Миссури-Миссури, Висконсин-Висконсин, Иллинойс-Иллинойс, Indiana-IN и Ohio-OH) были получены от USDA [19]. Эти данные были оценены, чтобы дать представление о том, почему нагрузка NO3-N в Айове могла или не могла измениться по сравнению с масштабами бассейнов рек Миссури и Миссисипи.

Расход воды и водоотдача

Ежедневные измерения стока рек Айовы были получены из U.S. Геологическая служба (USGS) [33]. В целях сравнения годовой (водные годы 1999–2016 гг., т.е. с 1 октября по 30 сентября) водосбор для водоразделов Айовы был определен путем суммирования значений суточного расхода и деления на площадь водосбора. Для некоторых из этих водосборных бассейнов расходомер не был точно совмещен с местом отбора проб NO3-N. В этих условиях сброс и водоотдача оценивались путем экстраполяции водоотдачи в месте фактического сброса на площадь, дренируемую к месту отбора проб нитратов.Совокупный сток и водоотдача для Айовы в целом и территорий штата, впадающих в Миссури и Миссисипи, но не в Миссури, были рассчитаны путем взвешивания по площади данных о водоразделах, доступных для каждого отдельного года. Был получен средний расход воды (мм), который затем был экстраполирован на большую площадь бассейна (т. очерченные области.

Годовой (водный год) сток реки Миссури в Херманне, Миссури; река Миссисипи в Сент-Фрэнсисвилле, штат Луизиана, и Фивы, штат Иллинойс, и река Атчафалая в Мелвилле, штат Луизиана, были получены из отчетов USGS NAWQA [34]. Расход воды в верховьях реки Миссисипи (т. е. территории, впадающие в Фивы, но не впадающие в реку Миссури) оценивался путем вычитания стока в Херманне из стока в Фивах. Опять же, в целях сравнения, годовой сток воды для этих бассейнов был рассчитан путем деления годового стока на площадь водосбора.

Измерение нитратов

Все данные о NO3-N штата Айова были собраны в рамках программы мониторинга и оценки качества воды Департамента природных ресурсов штата Айова [35]. Цель программы — предоставить последовательную и объективную информацию о состоянии ресурсов поверхностных и подземных вод штата Айова, чтобы можно было улучшить решения, касающиеся разработки, управления и защиты этих ресурсов. Стационарная сеть, состоящая примерно из 60 пунктов, раз в две недели или раз в месяц подвергается точечной выборке по целому ряду параметров, включая NO3-N.Мы выбрали подмножество из 23 участков, основываясь на их расположении в качестве конечной точки водораздела вблизи рек Миссисипи или Миссури и наличии поблизости водомерного поста Геологической службы США. Все образцы были собраны в виде выборочных (точечных) проб в соответствии с утвержденным USEPA планом проекта обеспечения качества, а затем были немедленно сохранены и доставлены в лабораторию гигиены штата Айова, где они были проанализированы с использованием метода USEPA 353.2 [36]. Места отбора проб, процедуры сбора и лабораторные исследования не изменились в течение всего периода исследования.Поскольку NO3-N перемещается в растворимой форме [37] и поскольку пробы в фиксированных точках обеспечивают надежный косвенный показатель средних концентраций NO3-N в поперечном сечении [38], мы предположили, что NO3-N хорошо перемешан в потоке в месте отбора проб. места.

Данные о концентрации для дней без анализа были оценены с использованием линейной интерполяции [37, 39], а суточные нагрузки NO3-N рассчитывались путем умножения концентрации на среднесуточный расход, а годовые нагрузки по воде рассчитывались путем суммирования суточных нагрузок.Не все сайты проверялись каждый год. Таким образом, совокупные нагрузки и урожайность для Айовы и территорий штата, впадающих в Миссури и Миссисипи, но не впадающих в Миссури, были рассчитаны путем взвешивания по площади данных о водосборных бассейнах, доступных для каждого отдельного года. Был получен средний выход NO3-N на гектар (кг га ^-1 ), который затем экстраполирован на большую площадь бассейна (т.е. Айова, районы Айовы, впадающие в Миссури, и районы Айовы, впадающие в Миссисипи, но не в Миссури).

Годовые (водные годы) нагрузки NO3-N, 1999–2016 гг., для реки Миссури в Херманне, Миссури, реки Миссисипи в Фивах, Иллинойс, и комбинированная нагрузка Атчафалая-Миссисипи были получены из отчетов USGS NAWQA [34].Нагрузки для верхнего течения реки Миссисипи (т. е. территории, впадающие в Фивы, но не впадающие в реку Миссури) оценивались путем вычитания нагрузки NO3-N в Фивах из нагрузки в Херманне.

Результаты

Площадь посева

При рассмотрении штатов Кукурузного пояса США, впадающих в MARB (Северная Дакота, Южная Дакота, Северо-Восточная Каролина, Канзас, Миннесота, Айова, Миссури, Висконсин, Иллинойс, Индиана, Огайо), Айова имела наибольшую среднюю совокупную площадь производства кукурузы и сои (93 340 кв. ² ) и наибольшей средней площади возделывания этих культур (0.64). Штат также имел наибольшую общую площадь производства кукурузы в каждый год исследования и наибольшую площадь производства сои за 14 из 18 лет. Однако в целом доля штата во всех посевных площадях под кукурузой/соей в регионе неуклонно снижалась (рис. 3) по мере увеличения посевных площадей в других штатах, особенно в Миннесоте, Северной Дакоте, Южной Дакоте и Канаде. Снижение доли посевов сои в штате Айова было особенно заметным: с 18,6% в 1999 г. до 14,5% в 2016 г. площади варьировались от 484 021 (1999 г.) до 568 644 км 90 152 2 90 153 (2015 г.) в регионе Корнбелт в целом.Таким образом, в то время как площади под кукурузой и соей увеличились примерно на 21% в Кукурузном поясе, в Айове это увеличение составило <4%.

Выход воды

Годовой сток воды в штате Айова варьировался от 98 мм в засушливый 2012 г. до 605 мм в 2016 г. при общем среднем показателе 264 мм. Водоотдача в среднем составляла 199 мм в первой половине рекорда (1999–2007 гг.) и 328 мм во второй половине (2008–2016 гг.). Самый большой годовой сток воды из любого водораздела Айовы составил 1040 мм для реки Саут-Скунс в 2010 году.Водоотдача в районах Айовы, впадающих непосредственно в реку Миссисипи, была на 45% выше, чем в районах, впадающих в Миссури (289 против 199 мм). В более крупных водоемах средний дебит воды колебался от 57 мм (MoRB) до 203 (MARB) и 307 мм (UMRB). Наибольший годовой дебит воды для всех трех этих бассейнов пришелся на 2010 г.; точно так же самый низкий водоотдача для всех трех пришелся на один и тот же год — 2006 г. Значения водоотдачи для всех водоразделов Айовы показаны в таблице 1 и на рис. 4.

Рис. 4.Коробчатые диаграммы выхода воды (вверху) и выхода NO3-N (внизу) за период исследования.

Ручьи, впадающие в Миссисипи, но не впадающие в Миссури, показаны синим цветом, а ручьи, впадающие в Миссури, показаны коричневым цветом. Общие средние значения по Айове показаны зеленым цветом. Коробки охватывают 25-75-й процентили; линия в рамке указывает медиану; усы — 10-й и 90-й процентили, а точки — точки данных меньше (больше) 10-го (90-го) процентиля.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0195930.g004

Нитратные нагрузки и урожайность

Годовой выход NO3-N в Айове (рис. 4) колебался от 4,5 (2012 г.) до 38,8 кг/га ^-1 (2016 г.), что соответствует нагрузкам NO3-N от 66 000 до 567 000 Мг. Годовой урожай в реке Миссури колебался от 1,6 (2000 г.) до 41,2 кг/га ^-1 (2016 г.), что эквивалентно нагрузкам от 7100 до 186000 Мг. Урожайность в районах Айовы, впадающих непосредственно в реку Верхняя Миссисипи, варьировалась от 4,3 (2012 г.) до 37,7 кг/га ^-1 (2016 г.), что соответствует нагрузкам от 44 000 до 379 000 Мг.Между водоразделами средняя урожайность за весь период колебалась от 4 ц/га ^-1 (Развилка Томпсона) до 23,3 ц/га ^-1 (Северная развилка Макокеты). Наибольшая однолетняя урожайность составила 64,4 кг/га ^-1 в кювете Уэст-Форк (2016 г.).

В более крупных принимающих бассейнах годовые нагрузки варьировались от 539 000 до 1 216 000 Мг (MARB), от 21 000 до 650 000 Мг (UMRB) и от 35 000 до 319 000 Мг (MoRB) (рис. 5). При этом урожайность варьировала от 1,8 до 4,1 кг/га ^-1 (MARB), 3.от 7 до 14,6 кг/га ^-1 (UMRB) и от 0,3 до 2,4 кг/га ^-1 (MoRB). Самые низкие урожаи были в 2000 г. для MoRB и MARB и в 2012 г. для UMRB. Самые высокие урожаи были в 2016 г. (MoRB) и 2008 г. (MARB и UMRB). Сравнивая изменения годовой урожайности, Айова в совокупности варьировалась более чем в 8,6 раза; МОБ 8.0; УМРБ, 3,9; и MARB, 2.3. Годовая доходность West Fork Ditch в Айове варьировалась более чем в 340 раз.

Рис. 5. Нагрузки NO3-N (слева) и общий сток (справа) для бассейна рек Миссисипи-Атчафалайя (MARB), бассейна Верхней Миссисипи (UMRB) и бассейна реки Миссури (MoRB).

Зеленые линии обозначают весь бассейн; синие линии указывают на части, не относящиеся к Айове.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195930.g005

Часть нагрузки MARB, UMRB и MoRB для Айовы показана на рис. 6. Доля нагрузки NO3-N для штата Айова в MARB варьировалась от 11 (2012 г. ) до 52% (2016 г.) и в среднем составил 29% за 18-летний период. На районы Айовы, впадающие непосредственно в реку Верхняя Миссисипи, приходилось от 20 (2002 г.) до 63% (2016 г.) нагрузки UMRB, в среднем 45%.Тем временем водоразделы Айовы, впадающие в реку Миссури, доставили от 20 (2000 г.) до 89% (2006 г.) общей нагрузки MoRB, измеренной в Херманне, штат Миссури, что в среднем составляет 55% за 18-летний период.

Рис. 6. Доля Айовы в общем стоке (синие столбцы), нагрузка NO3-N (зеленые столбцы) и площадь суши (красная линия) в бассейне рек Миссисипи-Атчафалая (MARB), бассейне Верхней реки Миссисипи (UMRB) и Миссури Речной бассейн (MoRB).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195930.g006

С использованием общего сброса и общей нагрузки NO3-N за период (1999–2016 гг.) были рассчитаны средневзвешенные по расходу (FWA) концентрации NO3-N. для Айовы бассейны MARB, UMRB и MoRB, а также части этих бассейнов за пределами Айовы.Они показаны в Таблице 2. Вклад воды и NO3-N в Айове почти вдвое превышает концентрацию FWA в реке Миссури; аналогичным образом вклады Айовы повышают концентрацию UMRB и MARB FWA на 44% и 33% соответственно. В таблице 2 также показаны концентрации FWA в MARB, UMRB и MoRB, если общая нагрузка NO3-N в Айове была снижена на 45%, что является целью для штата, установленной INRS. В этом случае концентрация FWA снизится на 15, 26 и 33% для MARB, UMRB и MoRB соответственно. Эти концентрации предполагают, что средний сброс за период 1999–2016 гг. останется неизменным в последующие годы.

Таблица 2. Средневзвешенные по потоку концентрации NO3-N (мг л ^-1 ) в бассейне рек Миссисипи-Атчафалайя (MARB), бассейне Верхней Миссисипи (UMRB) и бассейне реки Миссури (MoRB), штате Айова и других странах -Айова части каждого из этих бассейнов, и концентрация всех бассейнов, если цель Стратегии сокращения питательных веществ штата Айова по сокращению нагрузки на 45% была достигнута.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195930.t002

Обсуждение

Средняя за 18 лет доля нагрузки NO3-N в штате Айова в MARB составила 29% от общей, что согласуется с некоторыми предыдущими оценками, особенно с оценкой INRS [20], которая также оценила вклад в 29%.Оценка Весов 1998 года [26] в 25% несколько меньше, чем рассчитанная нами сумма, в то время как оценка Гулсби 2000 года [23] в 35% для Айовы и очень похожего соседнего штата Иллинойс, вероятно, занижена. Мы должны отметить, что эти другие оценки были сделаны 20 или более лет назад, ближе к началу периода наших наблюдений. Недавно Джонс и соавт. [22] использовали сеть высокочастотных датчиков, измеряющих NO3-N в 13 основных бассейнах штата Айова, чтобы оценить нагрузку в 2016 календарном году для штата в 477 000 Мг и 41% нагрузки MARB, что меньше, чем 568 000 Мг (52%). рассчитано здесь для 2016 водного года.Следует подчеркнуть, что декабрь 2015 г. был исключительно влажным в Айове с большой нагрузкой NO3-N, которая должна была быть учтена в 2016 г., но не в 2016 календарном году. В любом случае доля Айовы как для календарного, так и для водного 2016 года была очень высокой, что означает, что Айова может быть сильным фактором гипоксии Мексиканского залива.

Поскольку наши данные были частью программы мониторинга окружающей среды IDNR, они были получены на основе точечных измерений и не включали образцы штормовых явлений. Это согласуется с другими предыдущими оценками (т.е. [20, 25, 26]) цитируемой здесь загрузки NO3-N штата Айова. Мы полагаем, что преднамеренное включение образцов штормовых явлений вряд ли изменит наши расчетные суммарные нагрузки, поскольку до 80 % нагрузки NO3-N в Айове приходится на базовый сток [40] и что хорошо известно, что еженедельные и двухнедельные отборы проб достаточно для количественной оценки потерь NO3-N в ландшафтном масштабе [18, 41, 42]. Ли и др. [37] оценили несколько методов и стратегий отбора проб для определения десятилетних нагрузок NO3-N. В этом исследовании линейная интерполяция точечных данных из «однородного» протокола отбора проб (подобного проведенному здесь) дала среднюю процентную ошибку и среднеквадратичную процентную ошибку -2 и 4 и, соответственно, лишь немного отличалась от ошибок, вызванных высоким потоком. выборка (1 и 3% соответственно).По этим причинам мы считаем, что данных программы мониторинга окружающей среды достаточно для количественной оценки нагрузок NO3-N в штате Айова.

Нам неизвестны другие подробные оценки нагрузки NO3-N в Айове на MoRB и UMRB. Понятно, что Айова вносит большой вклад в оба, особенно в MoRB. В некоторые годы в реке Миссури почти не было бы NO3-N без вклада Айовы (например, 2003, 2006, 2011) (рис. 6). Из-за меньшего среднего количества осадков Весы [26] оценили нагрузку из притоков реки Миссури в западной Айове как меньшую, чем из притоков Айовы, впадающих на восток в сторону Миссисипи, и наш анализ подтверждает этот вывод.Однако, насколько нам известно, ни в одной опубликованной литературе ранее не сообщалось о том, что ручьи западной Айовы, дренирующие только 3% бассейна Миссури, могут доминировать над общей нагрузкой NO3-N реки Миссури. Это иллюстрирует важность реализации стратегий смягчения воздействия NO3-N, которые касаются не только ровных, дренированных ландшафтов в северной и восточной Айове, но и более холмистой местности в западной Айове, где искусственный дренаж менее распространен. Айова также вносит значительный вклад в нагрузку UMRB NO3-N, с общей долей 45% за отчетный период.Как и в случае с MoRB, нам неизвестны подробные оценки пропорционального вклада нагрузки NO3-N в штате Айова исключительно в пределах UMRB.

Для всех трех основных бассейнов вклад Айовы в непропорциональную нагрузку не согласуется с его вкладом воды. В БАРБ государство дает 5,9% воды и 29% NO3-N, занимая 4,5% площади бассейна; для ВМРБ 21% воды и 45% NO3-N с 21% площади суши; а для MoRB 12% воды и 55% NO3-N, но только 3.3% площади водосбора (рис. 6). Эта и связанные с ней концентрации FWA (таблица 2) указывают на то, что запас подверженного потерям NO3-N в ландшафте Айовы намного выше, чем в остальных более крупных бассейнах. Безусловно, одним из факторов, способствующих непропорционально высокому вкладу NO3-N в Айове, является площадь земель, отведенных под растениеводство. Штат имеет самые большие площади для производства кукурузы и сои, а также самые большие доли общей площади для производства в штатах Кукурузного пояса, что является важным фактором нагрузки NO3-N на водораздел [20].

Поскольку климат вносит свой вклад в степень гипоксии Мексиканского залива [45], цель Целевой группы по гипоксии залива по сокращению площади основана на 5-летнем скользящем среднем, которое предположительно объясняет годовые погодные колебания, которые могут быть ожидается, что он будет большим, особенно в средней континентальной части MARB, которая включает Айову.На рис. 7 показано 5-летнее скользящее среднее для района Гипоксии залива [46] и нагрузки Айовы, рассчитанные для периода записи здесь. С 2003 г. (первый год нашей записи о качестве воды, когда можно рассчитать 5-летнее скользящее среднее значение) значение для области гипоксии было намного больше, чем цель Целевой группы (5000 км ² ), хотя текущее значение немного меньше, чем в 2003 году. Однако 5-летнее скользящее среднее значение нагрузки NO3-N в Айове примерно на 40% выше, чем в 2003 году, и было выше, чем значение 2003 года в течение последних десяти лет подряд.Учитывая роль NO3-N как сильного фактора гипоксии в Персидском заливе [10,11], крайне важно сосредоточиться на сокращении потерь этого загрязнителя из районов его первичного источника, таких как Айова. Поскольку государство ответственно за половину нагрузки MARB NO3-N, методы сохранения, такие как покровные культуры [47], построенные водно-болотные угодья [48] и восстановленные старицы [49,50], по-видимому, имеют наибольший потенциал для воздействия на страны Персидского залива. гипоксии, если она реализуется в этой области больших потерь NO3-N.

Выводы

Вклад нагрузки NO3-N в штате Айова в MARB, UMRB и MoRB составил в среднем 29, 45 и 55% соответственно за период водного года 1999–2016 гг. и может достигать 52, 63 и 89% соответственно. .При рассмотрении этих бассейнов нагрузка NO3-N из частей, не входящих в состав Айовы, кажется стабильной или увеличивается более медленными темпами, чем в районе, включающем Айову, в то время как сток ведет себя аналогично между районами, не входящими в Айову, и районами, включающими Айову. Это означает, что динамика погоды и расхода не являются основной причиной различий в характере NO3-N, которые существуют между Айовой и остальной частью MARB, UMRB и MoRB с 1999 года. медленное расширение (<4%) на посевных площадях в Айове, но гораздо большее расширение на посевных площадях в Кукурузном поясе (21%).Приведенные здесь данные показывают, что если Айова сможет достичь своей цели по снижению нагрузки на 45%, концентрации NO3-N FWA снизятся на 15, 26 и 33% для MARB, UMRB и MoRB соответственно. Землеустроители, политики и защитники окружающей среды должны рассматривать это как возможность внедрения методов снижения NO3-N в таких областях, как Айова, где они, вероятно, приведут к измеримым улучшениям содержания нитратов в реках Миссури и Миссисипи.

Вспомогательная информация

Набор данных S1. Необработанные данные о концентрации нитратов и расходах для станций, использованных в этом исследовании.

(Данные A) Верхняя река Айова. (Данные B) Хуанхэ. (Данные C) Кровавый ручей. (Данные D) Река Турция. (Данные E) Северная вилка реки Макокета. (Данные F) Река Вапсипиникон. (Данные G) Кедровая река. (Данные H) Река Айова. (Данные I) Северная река Скунс. (Данные J) Южная река Скунс. (Данные K) Сидар-Крик. (Данные L) Река Де-Мойн. (Данные M) Река Томпсон. (Данные N) Река Уэст-Нодавей. (Данные O) Восточная река Нишнаботна. (Данные P) Западная река Нишнабота. (Данные Q) Река Бойер. (Данные R) Солдатская река. (Данные S) Кленовая река.(Данные T) Маленькая река Су. (Данные U) Уэст-Форк-Дитч. (Данные V) Река Флойд. (Данные W) Рок-Ривер. (Данные X) Нитратные нагрузки реки Атчафалая. (Данные Y) Расход реки Атчафалая. (Данные Z) Нитратные нагрузки в реке Миссури. (Данные AA) Расход реки Миссури. (Данные BB) Река Миссисипи в Фивах содержит нитраты. (Данные CC) Река Миссисипи в устье Фив. (Данные DD) Река Миссисипи в Сент-Фрэнсисвилле, загрузка нитратами. (Данные EE) Река Миссисипи в стоке Сент-Фрэнсисвилл.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195930.s001

(XLSX)

Благодарности

Эта публикация была подготовлена ​​авторами на средства Исследовательского центра питательных веществ Айовы. Любые мнения, выводы и выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения Исследовательского центра питательных веществ штата Айова или Университета штата Айова. Авторы благодарят Дэна Жиля за помощь с графикой.

Каталожные номера

1. 1.Откинг П., Бэк Р., Уотсон Р., Меркс С. Гидрография прибрежного континентального шельфа южно-центральной части Луизианы: Заключительный отчет об исследовании морской экологии для Исследовательского консорциума университетов Персидского залива, Галвестон, Техас. Корпус-Кристи (Техас): Юго-западный исследовательский институт. Проект. 1974 (03–3720).
2. 2. Юстич Д., Бирман В.Дж., Скавиа Д., Хетланд Р.Д. Прогноз гипоксии залива: следующие 50 лет?. Эстуарии и побережья. 2007 г., 1 октября; 30 (5): 791–801.
3. 3. Чжао Ю, Куигг А.Ограничение питательных веществ в северной части Мексиканского залива (NGOM): сообщества фитопланктона и фотосинтез реагируют на импульс питательных веществ. ПлоС один. 14 февраля 2014 г.; 9(2):e88732. пмид:24551144
4. 4. Юстич Д., Рабале Н.Н., Тернер Р.Э. Стехиометрический баланс питательных веществ и происхождение прибрежной эвтрофикации. Бюллетень загрязнения морской среды. 1995 г., 31 января; 30 (1): 41–6.
5. 5. Леминг ТД, Штунц ВЭ. Зоны прибрежной гипоксии, выявленные при спутниковом сканировании, имеют значение для стратегического рыболовства.Природа. 1984 г., июль; 310 (5973): 136.
6. 6. Рено мл. Гипоксия в прибрежных водах Луизианы в 1983 г.: последствия для рыболовства. Вестник рыболовства. 1986;84(1):19–26.
7. 7. Фербер Д. Удерживая стигийские воды в страхе. Наука. 2001 г.; 291:968–973. пмид:11232575
8. 8. Диаз Р.Дж., Солоу А. Экологические и экономические последствия гипоксии. Отчет по теме 2 комплексной оценки гипоксии в Мексиканском заливе. Май 1999 г.
9. 9.АООС США. История целевой группы по гипоксии. 2017. https://www.epa.gov/ms-htf/history-hypoxia-task-force.
10. 10. Тернер Р.Э., Рабале Н.Н., Джастик Д. Прогнозирование летней гипоксии в северной части Мексиканского залива: речные нагрузки азотом, фосфором и кремнием. Бюллетень загрязнения морской среды. 2006 г., 28 февраля; 52 (2): 139–48. пмид:16212987
11. 11. Ховарт Р.В., Марино Р. Азот как ограничивающее питательное вещество для эвтрофикации в прибрежных морских экосистемах: развивающиеся взгляды за три десятилетия.Лимнология и океанография. 2006 г., 1 января; 51 (1 часть 2): 364–76.
12. 12. Беркарт М.Р., Джеймс Д.Э. Вклад сельскохозяйственного азота в гипоксию в Мексиканском заливе. Журнал качества окружающей среды. 1999;28(3):850–9.
13. 13. Дэвид М.Б., Дринкуотер Л.Е., МакИсаак Г.Ф. Источники образования нитратов в бассейне реки Миссисипи. Журнал качества окружающей среды. 1 сентября 2010 г .; 39 (5): 1657–67. пмид:21043271
14. 14. Юстич Д., Тернер Р.Э., Рабале Н.Н. Климатические воздействия на речной поток нитратов: последствия для прибрежной морской эвтрофикации и гипоксии.Эстуарии и побережья. 2003 г., 1 февраля; 26 (1): 1–1.
15. 15. Скавиа Д., Рабале Н.Н., Тернер Р.Е., Юстич Д., Уайзман В.Дж. Прогнозирование реакции гипоксии Мексиканского залива на изменения азотной нагрузки в реке Миссисипи. Лимнология и океанография. 2003 г., 1 мая; 48 (3): 951–6.
16. 16. Работягов С.С., Клинг С.Л., Гассман П.В., Рабале Н.Н., Тернер Р.Э. Экономика мертвых зон: причины, последствия, проблемы политики и модель гипоксической зоны Мексиканского залива. Обзор экономики и политики окружающей среды.2014 г., 1 января; 8 (1): 58–79.
17. 17. Бейкер Дж.Л., Кэмпбелл К.Л., Джонсон Х.П., Хэнвей Дж.Дж. Нитраты, фосфор и сульфаты в подземных дренажных водах. Журнал качества окружающей среды. 1975; 4 (3): 406–12.
18. 18. Спраг Л.А., Хирш Р.М., Ауленбах Б.Т. Нитраты в реке Миссисипи и ее притоках с 1980 по 2008 год: добиваемся ли мы прогресса? Экологические науки и технологии. 2011 9 августа; 45 (17): 7209–16.
19. 19. USDA. Быстрая статистика национальной службы сельскохозяйственной статистики.2017 г. https://quickstats.nass.usda.gov/.
20. 20. Университет штата Айова. Стратегия сокращения питательных веществ штата Айова. 2017 г. http://www.nutrientstrategy.iastate.edu/.
21. 21. Шиллинг К.Е., Весы Р.Д. Связь концентрации нитратов в ручьях с землепользованием под пропашными культурами в Айове. Журнал качества окружающей среды. 2000; 29(6):1846–51.
22. 22. Джонс К.С., Дэвис К.А., Дрейк К.В., Шиллинг К.Е., Дебионн С.Х., Жиль Д.В. и др. Нитратная нагрузка рек штата Айова, рассчитанная с использованием сети датчиков на месте.Журнал JAWRA Американской ассоциации водных ресурсов. 2018.
23. 23. Гулсби Д.А. Считается, что поток азота в бассейне Миссисипи вызывает гипоксию в Персидском заливе. Эос, Труды Американского геофизического союза. 2000 г., 18 июля; 81 (29): 321–7.
24. 24. Тернер Р.Е., Рабале Н.Н. Взвешенные отложения, C, N, P и Si поступают из бассейна реки Миссисипи. Гидробиология. 2004 г., 1 января; 511 (1): 79–89.
25. 25. Гулсби Д.А., Баттаглин В.А., Ауленбах Б.Т., Хупер Р.П. Поток и источники азота в бассейне реки Миссисипи.Наука о полной окружающей среде. 2000 г., 5 апреля; 248 (2): 75–86.
26. 26. Весы РД. Нитрат-азот: непреднамеренный экспорт Айовы. Геология Айовы. 1998; 23:4–7.
27. 27. Джонс К.С., Симан А., Киверига П.М., Шиллинг К.Е., Киль А., Чан К.С., Вольтер К.Ф. Севооборот и нитрат реки Раккун. Журнал почво-водосбережения. 2016 1 мая; 71 (3): 206–19.
28. 28. Люси К.Дж., Гулсби Д.А. Влияние климатических изменений за 11 лет на концентрации нитратов и азота в реке Раккун, штат Айова.Журнал качества окружающей среды. 1993;22(1):38–46.
29. 29. McIsaac GF, Libra RD. Пересмотр концентрации нитратов в реке Де-Мойн. Журнал качества окружающей среды. 2003 г., 1 ноября; 32 (6): 2280–9. пмид:14674552
30. 30. Хэтфилд Дж.Л., Макмаллен Л.Д., Джонс С.С. Нитратно-азотные закономерности в бассейне реки Раккун, связанные с методами ведения сельского хозяйства. Журнал почво-водосбережения. 2009 г., 1 мая; 64 (3): 190–9.
31. 31. Ли Д., Чан К.С., Шиллинг К.Е.Тенденции концентрации нитратов в реках Айовы с 1998 по 2012 год: какие проблемы ожидают инициативы по сокращению содержания питательных веществ?. Журнал качества окружающей среды. 2013;42(6):1822–8. пмид:25602422
32. 32. Приор JC (1991) Ландшафт Айовы. University of Iowa Press, Айова-Сити, IA
33. 33. USGS. Национальная информационная система по водным ресурсам: веб-интерфейс. 2017 г. https://waterdata.usgs.gov/ia/nwis/current/?type=flow.
34. 34. USGS. Нагрузка питательными веществами от притоков относительно бассейна реки Миссисипи.2017. https://cida.usgs.gov/quality/rivers/mississippi#.
35. 35. IDNR. Программа мониторинга и оценки качества окружающей воды штата Айова. 2017 г. http://www.iowadnr.gov/Environmental-Protection/Water-Quality/Water-Monitoring/.
36. 36. АООС США. Определение нитратно-нитритного азота методом автоматизированной колориметрии. 1993. https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-08/documents/method_353-2_1993.pdf.
37. 37. Lee CJ, Hirsch RM, Schwarz GE, Holtschlag DJ, Preston SD, Crawford CG и др.Оценка методов оценки десятилетних стоковых нагрузок. Журнал гидрологии, 2016: 542:.185–203.
38. 38. Пеллерин Б.А., Бергамаски Б.А., Сарацено Дж., Даунинг Б.Д., Кроуфорд К., Гиллиом Р. и др. 2013, декабрь. Измерения нитратов in situ фиксируют краткосрочную изменчивость и сезонные переходы во время засушливого паводкового года в бассейне реки Миссисипи. В тезисах осенней встречи AGU, 2013.
39. 39. Schilling KE, Jones CS, Wolter CF, Liang X, Zhang YK, Seeman A, et al.Изменчивость результатов оценки нитратно-азотной нагрузки затруднит количественную оценку стратегий снижения нагрузки в Айове. Журнал почво-водосбережения. 2017 1 июля; 72 (4): 317–25.
40. 40. Шиллинг К.Е., Чжан Ю.К. Вклад базового стока в экспорт азота и нитратов из крупного сельскохозяйственного водораздела в США. Журнал гидрологии, 2004 г. (295): 305–316.
41. 41. Гулсби Д.А., Баттаглин В.А. Многолетние изменения концентраций и потоков азота в бассейне реки Миссисипи, США.Гидрологические процессы, 2001 (15): 1209–1226.
42. 42. Баттаглин В. А., Ауленбах Б. Т., Веккья А. В., Бакстон Х. Т. Изменения стока и потока биогенных веществ в бассейне рек Миссисипи-Атчафалайя, США, 1987–2007 гг. Отчет о научных исследованиях 2009–5164. Геологическая служба США, Рестон, Вирджиния, 2010 г.
43. 43. Тесорьеро А.Дж., Дафф Дж.Х., Саад Д.А., Шпар Н.Е., Волок Д.М. Уязвимость водотоков к устаревшим источникам нитратов. Экологические науки и технологии. 2013 26 марта; 47 (8): 3623–9.
44. 44. Мировой вестник Омахи. Чтобы помочь посевам, фермеры из Айовы укладывают больше дренажной плитки. 14 января 2013 г. http://www.omaha.com/news/to-help-crops-iowa-farmers-install-more-drainage-tile/article_3349a77d-8b4c-5a6c-8bef-a153086170de.html.
45. 45. Рабале Н.Н., Тернер Р.Е., Скавиа Д. От науки к политике: Гипоксия Мексиканского залива и река Миссисипи: разработка политики в отношении питательных веществ для водораздела реки Миссисипи отражает накопленные научные данные о том, что увеличение нагрузки азотом является основным фактором ухудшения гипоксия в северной части Мексиканского залива.Бюллетень AIBS. 2002 г., февраль; 52 (2): 129–42.
46. 46. LUMCON, Морской консорциум университетов Луизианы. Гипоксия в северной части Мексиканского залива. 2017. https://gulfhypoxia.net/.
47. 47. Вандер М.М., Трайна С.Дж., Стиннер Б.Р., Петерс С.Е. Воздействие органического и традиционного управления на биологически активные пулы органического вещества почвы. Журнал Общества почвоведов Америки. 1994;58(4):1130–9.
48. 48. Вымазал Дж. Удаление питательных веществ в различных типах искусственных водно-болотных угодий.Наука о полной окружающей среде. 2007 г., 15 июля; 380 (1): 48–65.
49. 49. Джонс К.С., Культ К., Лаубах С.А. Восстановленные старицы уменьшают сток питательных веществ и улучшают среду обитания рыб. Журнал почво-водосбережения. 2015 1 мая; 70 (3): 69A–72A.
50. 50. Шиллинг К.Е., Культ К., Уилке К., Стритер М., Фогельгесанг Дж. Снижение содержания нитратов в реконструированной старице поймы, питаемой плиточным дренажем. Экологическая инженерия. 2017 31 мая; 102: 98–107.

Совместное применение метаанализа и биоинформационных данных для понимания воздействия нитратов на рыбу

Широкое накопление нитратов в различных водных ресурсах в настоящее время считается одной из самых главных угроз, с которыми сталкиваются водные организмы в мировом масштабе.В последние годы появляется все больше данных о влиянии нитратов на рост и здоровье рыб, тем самым оценивая их безопасность для окружающей среды. Однако систематическая оценка и внутренний механизм таких влияний, по-видимому, лишены. Следовательно, это исследование использовало систематический анализ, метаанализ и биоинформатический анализ для оценки биотоксичности нитратов. Сначала мы предположили два уровня концентрации нитратов согласно сорока четырем опубликованным библиографиям.Систематический анализ показал, что широкие вариации чувствительности рыб к хроническому и острому воздействию нитратов были обнаружены на стадии молоди и личинки, соответственно, по сравнению с икрой. Мета-анализ также показал, что выживаемость, CF и SGR были значительно улучшены при низкой концентрации нитратов во время хронического воздействия. Такие улучшения были отражены разницей общих средних (TMD) и 95% CI (доверительными интервалами): коэффициент выживаемости (-4,06 [-7,67, -0,45]), фактор состояния Фултона (CF) (-0,0.03 [-0,03, -0,02]) и Удельная скорость роста (SGR) (-0,10 [-0,16, -0,04]). Чтобы проследить воздействие, чередование молекулярной экспрессии и гистологии в мозге, жабрах, печени, кишечнике и крови позволяет предположить, что хроническое и острое воздействие нитратов может привести к аномальным структурам тканей и молекулярной динамике. Более того, омический анализ путем интеграции кишечного микробиома (микробный состав; %) и транскриптома печени (генная онтология: биологические процессы) показал, что воздействие низких концентраций вызывает слабый иммунный ответ в печени рыб и соответствует кишечному иммунному ответу.В целом, текущее исследование заполнило пробелы в области токсичности нитратов. Это также может дать новый взгляд на оценку токсичности загрязняющих веществ для водных видов.

Влияние хронического воздействия нитратов на морфологию кишечника, иммунный статус, барьерную функцию и микробиоту молоди палтуса (Scophthalmus maximus) рыба в воде для выращивания постоянно накапливается.Нитрат, конечный продукт биологических процессов нитрификации, который при длительном воздействии может вызвать токсичность для рыб в различной степени. Поэтому настоящее исследование было проведено для оценки влияния хронического воздействия нитратов на морфологию кишечника, иммунный статус, барьерную функцию и микробиоту молоди тюрбо. Для этого группы молоди палтуса подвергались воздействию 0 (контрольный контроль, CK), 50 (низконитратный, L), 200 (средненитратный, M) и 400 (высоконитратный, H) мг L

Азот и вода | Геологическая служба США

•  Школа наук о воде ДОМАШНЯЯ СТРАНИЦА  •  Темы свойств воды  •  Темы качества воды  •

Азот и вода

Питательные вещества, такие как азот и фосфор , необходимы для роста и питания растений и животных, но переизбыток некоторых питательных веществ в воде может вызвать ряд неблагоприятных последствий для здоровья и окружающей среды. Азот в форме нитратов, нитритов или аммония является питательным веществом, необходимым для роста растений. Около 78% воздуха, которым мы дышим, состоит из газообразного азота, а в некоторых районах Соединенных Штатов, особенно на северо-востоке, определенные формы азота обычно осаждаются в виде кислотных дождей .

Конечно, азот используется в сельском хозяйстве для выращивания сельскохозяйственных культур, и на многих фермах ландшафт был значительно изменен, чтобы максимизировать производительность сельского хозяйства. Поля были выровнены и модифицированы для эффективного отвода избыточной воды, которая может выпадать в виде 90 160 осадков 90 161 или в результате 90 160 методов орошения 90 161 .

На этом изображении показан Шугар-Крик в Индиане, сильно модифицированный для использования человеком. Как обычно бывает в небольших сельскохозяйственных ручьях, Шугар-Крик был выпрямлен, углублен и в нем были установлены дренажные трубы, чтобы способствовать быстрому отводу воды с сельскохозяйственных угодий.Если на посевных полях обнаруживается избыток азота, дренажные воды могут попадать в такие потоки, как эти, которые впадают в другие более крупные реки и могут оказаться в Мексиканском заливе, где избыток азота может привести к гипоксии (недостаток кислорода). ).

Источники азота

Предоставлено: Pixabay — Creative Commons

Хотя в окружающей среде много азота, он также поступает с сточными водами и удобрениями.Химические удобрения или навоз обычно вносят в сельскохозяйственные культуры для добавления питательных веществ. Удержание на месте всего азота, поступающего на фермы в качестве корма или удобрения и образующегося с навозом, может оказаться трудным или дорогостоящим. Если на фермах не были построены специализированные сооружения, сильные дожди могут привести к стоку, содержащему эти материалы, в близлежащие ручьи и озера. Очистные сооружения , которые специально не удаляют азот, также могут привести к избыточному уровню азота в поверхностных или подземных водах .