Az algavirágzást előrejelző rendszer (EWS – Early Warning System) novemberig a bajai Tíztó területén követte nyomon a víz minőségének változását. A kutatók mintákat isgyűjtöttek, amelyeket később laboratóriumban metagenomikai vizsgálatoknak vetnek alá. Ezekkel egészítik ki az EWS-bója szenzorikus méréseit, így a jövőben – a számos különféle vizsgált adat együttesével, és egy kis műholdas segítséggel – az NKE Víztudományi Karának kutatói még pontosabb algavirágzási előrejelzéseket készíthetnek majd; emellett céljuk, egy ezzel kapcsolatos, sekély tavakra alkalmazható index létrehozása is, amely komoly segítséget nyújthat a vízkormányzásban. Mindez mégis hogyan segíthet a Balaton vízminőségének javításában? Algák, baktériumok, nitrifikáció, eutrofizáció; és egy kínai szál is feltűnik a történetben.
A hetekkel előre lebeszélt találkozó reggelén egy igazi kis csapat várt rám a Víztechnológiai Oktatási Bázis előtt, a bajai campuson. Nem is húztuk az időt, egyből autóba pattantunk, és útnak indultunk. Mellettem foglalt helyet Maróti Gergely a HUN-REN Szegedi Biológiai Központ kutatásvezetője, aki elsősorban alga és mikrobiális genomikával foglalkozik, 2018 óta a Víztudományi Kar tudományos főmunkatársa. A Víztudományi és Vízbiztonsági Nemzeti Laboratórium (VVNL) keretében kutatásokkal foglalkozik, szakterülete a különböző mikrobák, mikroorganizmusok molekuláris biológiai, genomikai vizsgálata, azon belül is – elsősorban – a mikroszkopikus zöld algáké. Egyből magához is ragadta a szót, hogy elmagyarázza, mivel is foglalkozik: „Egyrészt alapkutatási szempontból vizsgáljuk őket (a zöld algákat – a szerk.), hogy hogyan funkcionálnak egy vizes élőhelyen, milyen kölcsönhatásban vannak más ottlévő mikroorganizmusokkal, elsősorban baktériumokkal” – vázolja nagyvonalakban. Ezeket a kölcsönhatásokat egészen molekuláris szintig vizsgálják: megnézik milyen génszabályozási útvonalak, és milyen abból származó funkciók specifikusak a közösség működésére, tehát hogyan hatnak egymásra a különböző baktérium- és algapopulációk. A közösségen belül egyes fajok, például a baktériumok, vitamintermeléssel támogatják az algákat, cserébe azok fotoszintézissel előállított, különböző szénforrásokat biztosítanak, így egyfajta kölcsönösen hasznos együttélés valósulhat meg – részletezi Maróti Gergely.
A VTK kutatócsapata azonban arra is keresi a választ, hogy ezt a mechanizmust hogyan lehet hasznosítani. Célzott kutatásokat végeznek például az algák/baktériumok szennyvíztisztításban való alkalmazására: „A biológiai tisztítás esetében a legtöbb kutató a nitrit- és nitrátmentesítést végző baktériumokat helyezi előtérbe, de úgy gondolom, jelenleg alá van becsülve az algák szerepe és jelentősége ezen a területen. A nitrifikációt és denitrifikációt tankönyv szerint konkrét baktériumcsoportok végzik, azonban maguk az algák is rendkívül fontosak a nitrogén metabolizációjában, biomasszává alakításában, a vízből való eltávolításában” – mutat rá Maróti. A szennyvízből viszonylag egyszerű a szerves széntartalmú szennyezések eltávolítása bakteriális fermentációs útvonalak segítségével; a fő probléma azonban a kezelés utáni szennyvíz magas nitrogén és foszfortartalma; éppen ezek lebontására alkalmasak a fotoszintetizáló zöld algák – világít rá. Ezek a mikroszkopikus élőlények fermentatív módon is képesek élni, de ebben az esetben pont az a lényeg – hangsúlyozza Maróti –, hogy szerves szénforrás nélkül képesek a maradék nitrogént és foszfort metabolizálni, mivel a levegő szénd-dioxidját megkötve képesek szénforrást előállítani saját maguk számára; mindezt laborméretű kísérletekkel is alátámasztották. „A kutatók hajlamosak arról megfeledkezni, hogy algaszaporulat esetében nem csupán algákról beszélünk, hanem a velük együtt élő baktériumokról is. Laboratóriumi modellezések alkalmával gyakran azt látjuk, hogy a baktériumok felszaporodása megelőzi az alga felszaporodását, aminek az az egyszerű oka, hogy gyorsabb a reprodukciós idejük. Tulajdonképpen ez jelzi előre a virágzást; ezt a felszaporodott baktérium biomasszát már képesek vagyunk mérni” – hangsúlyozza a kutató.
Elhagyva a Türr István hidat, már a Duna melletti töltésen robogunk tovább a pickuppal, hogy végül egy fákkal szegett, vadregényes tónál álljunk meg, amelynek felületén már távolról látszódott a napelemekkel felszerelt EWS-bója. A csapat meg is kezdi a lepakolást a platóról: hatalmas műanyag ládák, laptop, kötelek, felfújható gumicsónak, csónakmotor és miegymás kerül a kavicsos partra. Ekkor meg is születik a döntés, két csónakkal megyünk be a bójához, persze nem csupán azért, hogy közelebbről is készíthessek képeket róla, hanem, hogy elhelyezzék rajta az általuk hozott PhycoProbe-csövet.
Pécsy Szabolcs aki szintén részt vesz a VVNL projektben – emellett a VTK Vízi Környezettudományi Tanszék projekt szakmai főreferense –, már a bója mellett, a csónakban beszél az eszközön található technikáról: „A bóján van egy csörlő – mutat az oldalához –, amelyen egy vertikális profilozó található, ez képes meghatározott vízmélységenként megmérni a víz különböző paramétereit. Az csörlő mellett található egy nagy pontosságú, ultrahangos vízmélységmérő.” – részletezi a főreferens. Átfordulva a bója másik oldalára, ahol nemrég rögzítették a PhycoProbe-csövet, két kernelre mutat, amelyekben szondakötegek vannak, amelyek szintén a víz paramétereit mérik, például olyanokat, mint az oldott oxigén szint, a vezetőképesség vagy a pH, de itt található még egy beépített foszfátmérő is.
Pécsy Szabolcs elmondta, hogy a szondák automatikusan működnek, külső beavatkozást csupán a foszfátmérő igényel, 350 mérés után; egyébként több hónapos intervallumban képesek az adatokat gyűjteni, de a jelenlegi mérési kampányt öt hétre tervezték. „A szondák távoli rendszeren működnek, mi csupán kihelyezzük, összerakjuk és rákötjük az akkumulátort, rákapcsoljuk a napelemeket és bekapcsoljuk az adatvevő egységet. Az eszköz ennek segítségével 4G-hálózaton kommunikál a holland gyártóval, akik az általunk meghatározott paraméterek alapján állítják be a méréseket. Mi egy felhő-alapú rendszerrel tudunk kapcsolódni, ahol – akár grafikonon megjelenítve – elérhetőek a bója által gyűjtött összes adat.” – mondja Pécsy. Az EWS-rendszer azonnali értesítési funkcióval is rendelkezik, például ha hirtelen beindul az algavirágzás, vagy elér egy kritikus szintet, akkor SMS-ben, illetve e-mailen is értesítéseket küld a felhasználónak – tudom meg tőle.
A nagyjából 10-15 perces bója körüli vízi sétát követően a parton gyűlik össze újból a csapat. Itt már Bíró Tibor – akinek a VTK korábbi dékánjaként nagy szerepe volt az eszköz beszerzésében –, az NKE Környezeti Fenntarthatósági Intézet igazgatója veszi magához a szót, és a jövőbeli fontos vizsgálatokról kezd beszélni, és arról, hogy ezeknek mi köze a Balaton vízminőségéhez.
„Az itteni öthetes vizsgálatokból is rengeteg érdekes adatot gyűjthetünk, azonban nagyon fontos lenne megvizsgálni áprilistól októberig egy vegetációs időszakot a Balatonon, összevetve az időjárási elemekkel. Amikor felkavarodik a Balaton vize, és megszűnnek a hőváltó rétegek, az oldott oxigén mélyre jut, a felszíni rétegben található alga pedig kevesebb foszforhoz jut. Az iszapban nagyon sok kötött inaktív kalcium-foszfát található, amit egy anoxikus környezetben lezajló mikrobiális folyamattal, anaerob baktériumok kezdenek el felszabadítani. Olyan foszfátmobilizálás történik, amiről tudják a kutatók, hogy létezik, de az EWS-el való folyamatos szenzoros mérés rengeteg érdekes többletadatot szolgáltathat”. Hőváltó réteg esetében – részletezi Bíró Tibor – az oxigén diffúziója gátolva van, ugyanakkor a foszfát képes diffundálni fölfelé, de az oxigén viszont nem képes lejutni; ez anticiklonális hatásoknál áll be, amikor nincs hullámzás, de melegszik a felső vízréteg. Ebben a helyzetben az alga jól érzi magát, hiszen a Balatonban van elég nitrát, amely tápanyagot nyújt számára; ugyanakkor, ha kétszer ekkora lenne a tó nitrát tartalma, akkor sem lenne több alga – mutat rá az ellentétre. Bíró Tibor szerint a foszfát a korlátozó tényező, ezért is hangsúlyozza, hogy a Balaton vízminőségét hosszú távon foszfát-kontrollal lehet biztosítani; ennek a jegyében csatornázták körbe a balatoni partvidéket, ezért alakítottak ki slankoló medencéket, építettek hordalékfogókat, illetve ezért történt a Kis-Balaton revitalizációja is; ezek összessége javította fel a balatoni víz minőségét.
A külső, a mezőgazdaságból és a szennyvíztisztító telepekről eredő, terhelés mellett – amelyek alapvetően nem váltanak ki gyors algavirágzást, a limnológusok egyértelműen a belső terhelést teszik felelőssé a hirtelen algavirágzásért – mondja a KFI igazgatója. „A vízállásnak annyi köze van ehhez, hogy a sekély parti részeken jobban felmelegszik a víz, ezt pedig az alga szereti.” Bíró Tibor emlékeztetett arra, hogy 2018-ban, magasabb vízállásnál (120 cm) jelentősebb algavirágzás volt megfigyelhető, mint korábban alacsonyabb állásnál. Két független kutatócsoport is arra a következtetésre jutott, hogy pont ez a magas vízállás okozott anoxikus állapotot a mélyben. „Ugyanezt látjuk a Velencei-tó esetében is: az algavirágzás nem függ össze a vízállással. Nagyon fontos az oldott oxigén és a hőmérséklet együttállása a foszformobilizáló baktériumok beindulásához. Érdekes, izgalmas rendszer ez, mert algavirágzáskor a reggeli órákban, amikor beindul az alga 12 mg/l lesz az oldott oxigén mennyisége a felső vízrétegben, ami hegyvidéki pisztrángosokra jellemző, majdnem hogy túltelített.” – világított rá az érdekességre a VTK korábbi dékánja.
De mégis, hogyan kerül egy EWS-rendszer a Víztudományi Karra? – tettem fel a kérdést. 2019-ben jelentős algavirágzás volt a Balatonon – kezdi válaszát Bíró Tibor – ekkor szólította meg a vízügy a tudományos életet, köztük az NKE-t. „Akkoriban még kevesen tudtak a rendszer létezéséről, de mi kaptunk az alkalmon és beépítettük a VVNL-projektünkbe, tudva azt, hogy komoly erőforrást igényel majd. A kutatás során nagyon speciális jellemzőket kell mérnünk: olyanokat, mint a fikocianin, ami a kékalgákra (prokarióta cianobaktériumokra) jellemző, abiotikus és biotikus tényezőket; ha látjuk a változást az abiotikus tényezőkben, és tudjuk, hogy milyen összefüggésben van ez a biotikus tényezőkkel, mint például a különböző algacsoportok koncentrációjával, vagy például a fikocianid koncentrációjával, akkor lehetővé válik az előrejelzés” – mondta. Az így szerzett adatok alapján a szakemberek olyan beavatkozási terveket készíthetnek, melyekkel az algavirágzás kockázata csökkenthető, pl. a vízkormányzási tevékenységeken keresztül.
Szóval jött ez az ötlet – folytatja Bíró Tibor, miközben már visszafelé tartunk a VTK-ra –, és akkor hidrobiológus kollégáink összeállítottak ebben a témában egy kutatási tervet. „Az egész kutatás nem csupán a korai előrejelzést szolgálja, hanem kifejezetten a sekély állóvizek eutrofizációs folyamatainak a nyomonkövetését is célozza, aminek köszönhetően elkerülhetjük, hogy veszélyeztetettek legyenek és hipertróffá váljanak a hazai tavaink. A trofitás és a szaprobitás határozza meg a szerves anyag termelőképességét illetve a lebontóképességét, és ez az egész anyagforgalmat befolyásolja, ezért is fontos ezeknek a folyamatoknak a nyomon követese”
Az EWS-rendszerrel azonban hosszútávú céljai is vannak a VTK kutatóinak, amelynek egyik mérföldköve a szeptemberben aláírt együttműködési megállapodás az NKE és a Kínai Tudományos Akadémia Nagyadatelemzés a Fenntartható Fejlődésért Kutató Központ (CBAS) között. „Az algamérésnél hatalmas adatmennyiségek keletkeznek, hiszen tizenöt percenként több tucat paramétert kapunk, ezt tovább tetézi, hogy ezeket a pontszerű méréseket térben ki szeretnénk terjeszteni. Az utóbbi időben nagyot fejlődtek az adatkinyerési módszerek, a big data kezelési módszerek, a műholdas felvételek segítségével nagy időbeni sűrűséggel, olcsón jutunk földfelszíni adatokhoz. Szeretnénk ezeket bekapcsolni az EWS-be, hiszen műholdképeken is látható, ha a Balatonon a fikocianin elkezd dúsulni.” A műholdak különböző csatornákon mérnek, amelyek különböző hullámhossz tartományokat jelentenek – részletezi Bíró Tibor –; típustól függően három, öt, nyolc, de akár húsz csatornán is képesek mérni az úgynevezett multispektrális műholdak, és ezeknek a csatornáknak a sávszélessége is különböző. „Nekünk az a célunk, hogy megtaláljuk azt a sávszélességet és azt a sávkombinációt, ami összefüggésbe hozható azzal a vízminőségi paraméterrel, ami két héttel előre tudja jelezni az algavirágzást. Mi itt a földön megmérjük azt a tartományt, korrelál az adott vízminőségi jellemzővel, és ezt megtanítjuk a műholdnak. Ha a sávok szélessége és a sávkombináció nem elegendő, akkor indexet kell létrehoznunk, ami azt jelenti, hogy több sávot súlyozunk, és készítünk erre egy algoritmust. Ez hasonló a Normalizált Vegetációs Index (NDVI) metodikájához, tulajdonképpen kivonunk egymásból két hullámhossztartomány intenzitásértékét, és elosztjuk az összegükkel. Mi valami hasonlót szeretnénk létrehozni, egy olyan indexet, ami a szikes tavainkra és minden sekély víztestünkre alkalmazható. Ehhez azonban hosszútávú terepi mérésekre van szükség.”
A kínai fél az SDG-célok (fenntartható fejlődési célok) mentén működtetik műholdjaikat, így a VTK kutatói erre a szempontra is figyelemmel vannak. „Azon túl, hogy előre szeretnénk jelezni az algavirágzást és annak mechanizmusát, Maróti Gergely tevékenysége kiemelten fontos, mert a genomika, metagenomika ahhoz segít hozzá, hogy megismerjük az egész mikrobiális közösség szaporodási és funkcionális dinamikáját. Ezért nagy dolog, hogy összekapcsoljuk a távérzékelést, a szenzortechnikát és a genomikát, molekuláris biológiát.” Ilyenfajta inter-, multi- és transzdicplináris területet nagyon kevesen tudnak felmutatni ezen a területen – hangsúlyozza a KFI igazgatója.
Végszóra meg is érkezünk a campusra, így nem maradt más hátra, mint a búcsú. Az elköszönésnél azért viccesen még odavetem Bíró Tibornak: „nem vagyok benne biztos, hogy egy hét múlva ebből már kész anyag lesz” – majd együtt nevetünk. De ami biztos, hogy az elhangzottak csak megerősítettek abban, hogy a Víztudományi Kar igazi olvasztótégelye a hazai és nemzetközi hidrológiai kutatásoknak.
A cikk a Bonum Publicum magazin 25/8. lapszámában jelent meg.
Szerző és fotó: Szilágyi Dénes