Tudi sateliti vidijo mikroskopske cianobakterije
Pogled iz zraka, nekaj deset metrov nad vodo. Avtor vseh fotografij: Matej Povše
Vroči poletni dnevi k vodi privabljajo številne kopalce, a zaradi toplejšega podnebja in vse več hranil v vodi narašča tveganje za razrast planktonskih cianobakterij. Nekatere med njimi proizvajajo toksine, ki lahko ogrozijo zdravje ljudi in živali. Klasičen nadzor kakovosti voda na terenu zahteva čas, usposobljeno osebje in laboratorije, poleg tega bi bilo spremljanje vseh takšnih območij pri nas drago. Zato se znanost vse bolj ozira proti nebu - predvsem za spremljanje razrasti planktonskih cianobakterij, torej plavajočih v vodi ali na vodni površini, in ne za spremljanje oblog na kamnih, t. i. bentoških cianobakterij. Kot dopolnilo klasičnemu monitoringu se ponuja satelitsko spremljanje jezer.
prof. dr. Karsten Rinke. Foto UFZ.de
O tem smo se pogovarjali z biologom Karstenom Rinkejem, ki v Helmholtzovem centru za okoljske raziskave v Magdeburgu vodi oddelek za raziskave jezer. Rinke je tudi prvi avtor poročila Evropskega tematskega centra za celinske, obalne in morske vode o satelitskem nadzoru cianobakterij v kopalnih vodah.
avtorica:
Zarja Muršič
Spremljanje cianobakterij na terenu je logistično in časovno kar zahtevno. Raziskovalci morajo obiskati jezera, gramoznice, bajerje, odvzeti vzorce in preveriti, kaj je v njih. In tega ne morejo sistematično početi v vseh vodah. Vi bi jim delo olajšali tako, da bi jih na morebitno razrast najprej opozorili sateliti. Kako lahko ti instrumenti iz takšne oddaljenosti sploh vidijo mikroskopske organizme v vodi?
Cianobakterije imajo specifično pigmentacijo. Izkušeno oko lahko z obale loči cvetenje cianobakterije od alg. Sam jih večinoma kar prepoznam. Nekatere optične lastnosti teh cvetenj, (značilnosti cianobakterij, ki določajo, kaj se zgodi s svetlobo, ko pride do njih, op. a), omogočajo, da jih vidimo tudi s sateliti. Sateliti so opremljeni z občutljivi instrumenti, ki ločujejo in analizirajo spektralne informacije oziroma svetlobo, ki se odbija od vodne površine. Predstavljajte si kamere: te imajo t. i. RGB kanale, ki zajamejo rdečo, zeleno in modro barvo. Satelit pa jih lahko zazna več kot tri, kar nam teoretično omogoča, da na daljavo v vodi ne le zaznamo organizme, temveč cianobakterije tudi jasno ločimo od drugih alg.
Kako težko razlikovati med cianobakterijami in algami, saj imajo oboji klorofil? Kako jih torej ločite?
Sateliti tako relativno dobro zaznajo, če so v jezeru rastline ali organizmi, ki imajo klorofil, veliko težje pa je natančno določiti, ali gre dejansko za cianobakterije ali le za alge.
Vsi fotosintetski organizmi na planetu, torej vse alge, cianobakterije, vsa drevesa, trave, mahovi in tako naprej, vsi vsebujejo molekulo klorofil-A. Satelit ta pigment zazna relativno dobro, saj so zaradi tega njega rastline sploh videti zelene. Tako s satelitom kot s prostim očesom lahko preprosto ocenimo: bolj je jezero zeleno, več klorofila je v njem. To je enostavnejši del.
Cianobakterije pa imajo poleg klorofila-A še pigment fikocianin. S satelitskimi posnetki poskušamo določiti prav ta ločeni pigment.
Tukaj nastopi težava. Fikocianin in klorofil-A se optično sicer razlikujeta, a ne dosti. Predstavljajte si, da približno 80 odstotkov optičnega signala, ki se vrne v vesolje, izvira iz klorofila. Mi pa moramo iz preostalih 20 odstotkov ugotoviti, ali je v vodi prisoten tudi fikocianin in tako interpretirati, ali so v vodi dejansko cianobakterije ali le alge.
Sateliti lahko naenkrat posnamejo ogromna območja, hkrati pa isto mesto redno slikajo v krajših časovnih razmikih. A verjetno obstajajo meje. Kako pogosto dejansko “vidijo” posamezno jezero, recimo v Alpah?
Zelo odvisno. Zavedati se moramo, da govorimo o optičnem senzorju, ki je 800 kilometrov nad zemljino površino, z njim pa poskušamo identificirati kemične komponente v koncentracijah, merjenih v mikrogramih na liter. To je res izjemno zahtevno.
Trenutno imamo na voljo le peščico satelitov za takšne naloge, med njimi pa sta posebej zanimiva dva evropska: Sentinel-2 in Sentinel-3.
Sentinel-2 lahko opazuje manjša območja. Velikost njegove slikovne pike (piksla) je od 20 do 60 metrov. Če je jezero veliko vsaj četrtino hektarja (50 krat 50 metrov), lahko najdemo vsaj eno slikovno piko, ki pokriva izključno vodo v tem jezeru. Vendar se ta satelit nad isto točko vrne le vsakih pet do sedem dni.
Sentinel-3 po drugi strani preleti območje vsak dan, vendar je njegova prostorska ločljivost slabša, in sicer znaša 300 metrov.
To pomeni, da so sateliti odlični za večja vodna telesa, saj dostavijo podatke vsak dan, manjših vod, kot so mestni ribniki ali manjša jezera, pa sploh ne morejo zaznati.
Kaj pa, ko je slabo vreme?
Satelitski senzorji ne morejo predreti čez oblake. V Sloveniji je verjetno manj oblačnih dni kot pri nas. Živim na vzhodu Nemčije, kjer imamo bolj celinsko podnebje. Približno polovica satelitskih preletov je zaradi oblačnosti neuporabnih. To pomeni, da lahko izkoristimo le vsak drugi posnetek.
Če je dan jasen, jezero pa dovolj veliko, ali so v tem primeru podatki povsem zanesljivi? Se lahko zgodi, da satelit spregleda cvetenje ali javi lažni alarm?
S sedanjimi sateliti je zanesljivo upravljanje tveganj zaradi cvetenja cianobakterij še precejšen izziv. Tudi če so pogoji popolni in satelit posreduje čudovito fotografijo, je zanesljivost rezultatov še vedno omejena. Govorimo o statistični negotovosti.
Satelit uspešno zazna cvetenjev v nekaj več kot 50 odstotkih primerov, kar je sicer lepo, a obstajajo tudi situacije, ko je cvetenje prisotno, pa ga satelit iz takšnih ali drugačnih razlogov ne opazi. Takšen lažno negativni rezultat je tvegan za zdravje. Upravljavci bi lahko rekli, da se lahko kopajo, čeprav cianobakterije cvetijo.
Zgodi se tudi, da satelit zazna cvetenje, ki ga v resnici ni. Tudi lažno pozitivni rezultat je lahko škodljiv, saj zmanjšuje verodostojnost podatkov ter ruši zaupanje javnosti in upravljavci voda v tehnologijo.
Zato je trenutni glavni namen satelitov predvsem širše spremljanje okolja. Tako hitro dobimo splošno sliko o stanju okolja, podati natančne številke za določeno jezero pa je s trenutno tehnologijo izjemno težko.
Zdaj že načrtujemo nove satelitske misije. Nova generacija satelitov bo v naslednjem desetletju imela mnogo boljše senzorje, kar bo prineslo napredek na tem področju.
Ali lahko cvetenje cianobakterij s sateliti zaznate, še preden je vidno s prostim očesom?
Ne, sateliti cvetenje zaznajo takrat, ko je že prisotno. Če želimo imeti sistem za zgodnje opozarjanje, moramo senzorje namestiti neposredno v jezero. Ti senzorji lahko cianobakterije merijo z veliko večjo natančnostjo kot sateliti. Saj je senzor v vodi neprimerljivo bolj točen od fotografije, posnete 800 kilometrov nad gladino jezera.
V vodnih telesih, ki so ključnega pomena, na primer v akumulacijah pitne vode ali mestnih jezerih, kjer se množično kopajo, vsaj v Nemčiji, včasih dejansko namestimo takšne senzorje v jezero. Ampak to je drago, poleg tega pa mora imeti naprava zaradi prenosa podatkov neprekinjen dostop do interneta, treba pa ga je tudi stalno vzdrževati.
Kako pa nato satelitske podatke potrjujete v praksi? Ali pošljete na teren še raziskovalce, da preverijo dejansko stanje?
Težko vam povem, saj raziskave na tem področju še potekajo. Da potrdimo podatke, v jezeru opravljamo meritve 24 ur na dan.
Pred dvajsetimi leti so morali raziskovalci veslati po jezeru, da bi vzeli vzorec vode, ga odnesli v laboratorij, na rezultate analize klorofila pa so nato čakali dva dneva. Zdaj za merjenje paramaterov uporabljamo merilne sonde s senzorji, ki jih namestimo neposredno v vodo. En sam sistem stane med 70 tisoč in 80 tisoč evrov.
Zakaj je pomembno uporabiti merilne sonde? Za umerjanje podatkov moramo meritev opraviti točno na istem mestu in ob istem času. Če satelit leti preleti območje ob 10.15 dopoldne, nam podatki, izmerjeni ob treh popoldne, ne pomagajo dosti. Meritve morajo sovpadati. Zato v to vlagamo veliko truda in denarja.
Sistemi na jezeru so nameščeni na merilnih bojah. Vsaka boja ima senzor, zapisovalnik podatkov in modem, ki podatke pošilja neposredno na naš strežnik. Največji izziv jih je oskrbeti z energijo. Ker je boja sredi jezera, tam seveda ni električnega omrežja. Vsako ampersekundo energije moramo ustvariti sami s sončnimi celicami.
Trenutno tako pilotno opazujemo tri različna jezera in podatke s satelitov primerjamo s svojimi meritvami na terenu. Če bomo tako delali še nekaj let, se bomo morda naučili, kako bistveno izboljšati satelitske napovedi.
Vendar pa satelit vidi le biomaso, ne pa tudi strupa?
Drži in to je treba posebej izpostaviti ob vseh tehničnih specifikacijah in »znanstveni fantastiki«. Cianobakterije so potencialno nevarne, ker lahko proizvajajo toksine oziroma strupe. Vendar pa strupa ne proizvajajo vse vrste in vsi sevi. V jezeru imamo lahko zelo pogosto vrste iz rodu Microcystis, ki slovi po izločanju močnih toksinov. Naletimo lahko na primere, ko intenzivno cveti, a v vodi ni bilo zaznati nobenih toksinov.
Velja pa tudi obratno: koncentracija bakterij je lahko nizka, satelit jo komaj zazna, sev pa je izjemno strupen. To je nevarno predvsem za živali, ki to vodo pijejo. V Nemčiji imamo dokumentirane primere poginov psov in celo goveda, saj krave popijejo po več deset litrov vode na dan. O vplivu na divje živali žal vemo še manj. Vprašanje, koliko toksinov je v določeni koncentraciji cianobakterij in kakšen vpliv imajo na zdravje ljudi in živali, ostaja ena največjih neznank v celotnem procesu.
Torej, tudi če bi imeli popoln satelitski sistem za opazovanje, iz vesolja nikoli ne moremo zares videti, ali so te bakterije strupene ali ne. Z vidika upravljanja voda to pomeni naslednje: ko satelit zazna visoko koncentracijo cianobakterij, moramo preventivno ukrepati in izdati opozorilo.
V poročilu o satelitskem nadzoru cianobakterij v kopalnih vodah predlagate hierarhični pristop spremljanja, ki bi lahko bil v veliko pomoč občinam in upravljavcem voda. Nam ga lahko podrobneje razložite?
Z veseljem. Klasično spremljanje cianobakterij je za upravljavce voda in občine izjemno drago. Na voljo imajo dve možnosti: ali kupijo drag avtomatski sistem merilnih boj ali pa, kar je še vedno standardna praksa tudi v Nemčiji, nekoga pošljejo do jezera po vzorec vode, da ga odnese na mikroskopsko analizo v laboratorij. Mikroskopiranje je najpogostejše, saj so rezultati znani še isti dan.
Vendar je to kadrovsko in finančno velik zalogaj. Stroški so visoki, ustreznih strokovnjakov občine sploh nimajo. Tudi če imajo na voljo proračun, bi težko zaposlili nekoga, ki bi celo leto čakal na tistih nekaj tednov, ko cianobakterije zacvetijo, da bi tekel k jezeru in vzorce analiziral pod mikroskopom.
Zato smo predlagali rešitev, pri kateri satelit opravi prvi, splošen pregled. Satelit preveri, ali je v jezeru povečana količina alg. Je stanje videti kot cvetenje cianobakterij? Ali pa je voda čista in jezero v odličnem stanju? Če je stanje dobro, ni treba storiti ničesar.
Šele ko satelit zazna kritične vrednosti, sproži alarm, občina na teren pošlje ekipo po vzorec. To bi drastično zmanjšalo stroške. Trenutno morajo ekipe redno na teren, denimo šestkrat letno. Tja gredo tudi, če je kakovost vode čudovita. Ker stanja ne morejo predvideti, pač morajo iti.
Z našim predlogom pa satelitski signal postane sprožilec za monitoring na terenu, zato temu pravimo vzorčenje na podlagi sprožilca (angl. triggered sampling). To je povsem izvedljivo, saj so satelitski podatki ob jasnem vremenu na voljo že en dan po preletu.
Kljub vsem negotovostim satelitske tehnologije, ki sem jih omenil, velja eno: ko je jezero v resnično dobrem stanju in je voda čista ter modra, satelit to zazna s stoodstotno zanesljivostjo. V takšnih primerih je terenski obisk popolnoma odveč. Izziv ostajajo le tiste vmesne, sive situacije, ko podatki niso povsem jasni ali pa satelit sproži alarm ob mejni vrednosti. Takrat je še vedno treba osebno preveriti stanje.
Kakšna pa je po vašem prihodnost te tehnologije v naslednjem desetletju?
V bližnji prihodnosti bo uporabnost satelitov verjetno še nekoliko omejena, saj senzorji zaradi slabše spektralne ločljivosti še ne zagotavljajo dovolj zanesljivih rezultatov. To se bo povsem spremenilo z naslednjo generacijo satelitov v prihodnjih desetih letih. Za vsa jezera, večja od enega hektarja (sto krat sto metrov), bo satelitsko opazovanje takrat postalo izjemno dobra in učinkovita rešitev.
Vem tudi, da se evropski predpisi na področju kopalnih vod že razvijajo tako, da bi analize kakovosti voda vključevale satelitske podatke. Ni pa še povsem jasno, kako natančno bo to videti v praksi. In tukaj ne gre le za vprašanje kopanja. Čeprav je to zaradi tveganja, da ljudje resno zbolijo, izjemno pomembno za javno zdravje.
Sateliti bi pomagali preprečevati javnozdravstvo tveganje, imajo pa še večjo vlogo: pomagajo ocenjevati splošno zdravje okolja. Zavedati se moramo, da Evropa ogromno denarja namenja za spremljanje okolja ter preučevanje kakovosti vode v jezerih in rekah. Evropska okvirna vodna direktiva nalaga, da določimo ekološko stanje vodnih teles, večjih od 50 hektarjev, pripravimo načrte za njihovo izboljšanje in nato spremljamo, ali ti ukrepi sploh delujejo.
Prepričan sem, da lahko z uporabo satelitov krepko zmanjšamo stroške. Moj želja kot ekologa pa je, da bi s sateliti zmanjšali stroške nadzora in ta denar raje namenili dejanski obnovi poškodovanih vodnih ekosistemov. Veliko bolje je aktivno ukrepati na terenu in naravo izboljševati, kot pa jo samo nemo opazovati iz vesolja.
Projekt Skrivnosti slovenskih motnih voda nastaja s podporo Journalism Science Alliance.