人类污水在沿海海洋生态系统的影响

文章更新的2021年11月26日

沿海生态系统进行压力来自海上和陆地人类活动随着人类wastewater-an领域研究较少。当前的方法用于相同的不占氮(N)和病原体输入。看着Tuholske, C。等在《华尔街日报》发表的论文《公共科学图书馆·综合》。本文讨论了使用一个新的高分辨率的地理空间模型评估和地图N和病原体从人类污水~ 135000世界各地的水域。

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沿海海洋生态系统承受各种压力,包括过度捕捞、气候变化、海上商业用途,和陆基活动,比如农业。营养和化学污染径流陆基活动将沿海海洋系统连接到陆地上的人类活动。

已经指出,农业化肥和禽畜废物发挥重要作用在沿海富营养化,缺氧区,有害藻华,或缺氧死区与恶化和全球气候变化的重大影响。

某些研究测量和绘制人类污水对海洋生态系统的影响,对人为N的输入作出了重大贡献。然而,治疗方法包括发射N时清除病原体,也没有结合研究养分输入和病原体的风险。

目前流程分析地表水氮或病原体输入从人类污水有其自身的局限性,因为他们都依赖于一个通用建模设计,不占未来气候和社会经济变化的影响。

这项研究是第一次的全球提供全面、高分辨率(约1公里)分析N和病原体从废水几乎135000水域和沿海地区,流入大海。

研究评估不同N和病原体输入和估计的潜在风险两大敏感的栖息地(珊瑚礁和海草床)这些输入。

级联Tuholske AZoCleantech说,来自哥伦比亚大学地球研究所博士后研究科学家工作项目:

我们的研究真正让废水的问题输入地图上的海洋。直到现在,我们缺乏一个高分辨率的理解废水如何影响全球沿海生态系统。但通过映射废水氮和病原体输入133000 +水域,我们可以开始解决这个问题和改善人类和世界各地沿海水域生态系统健康。

级联Tuholske,地球研究所博士后研究员,国际地球科学信息网络中心(CIESIN),哥伦比亚大学气候学校,哥伦比亚大学

方法

两个氮废水(N,克年⁻¹)和病原体所估计的粪便微生物指标(FIO)]是通过类似的方法。人口和结算数据类型(~ 1公里分辨率)合并有国家级蛋白质消费统计(仅氮)。

该研究使用以下程序进行分析:

• Python v3.7
• R v3.6.3
• 草GIS v7.8.3

欧洲全球人类定居点人口层版本4 (GHS-Pop)来提供人口估计为2015。GHS-Pop唯一网格人口数据与相应的结算类型学(GHS-SMOD)从一个共同创建建模范例。

国家统计局从2017年/儿童基金会联合监测项目废水(人民币)被用来估计的数量N清除废水和卫生条件来计算N生产系数。

三个污水处理类别的氮去除效率。该模型使用一个统一的污水系统的N去除率。FIO生产建模为卫生基础设施和人口规模的函数。这使得FIOs评估沿海生态系统的风险敞口。

人口的模型假定输入从化粪池或排便超过一公里远离海岸线和地表水不会导致废水总量。

评估进行像素级N废水,该模型利用粮农组织粮食资产负债表包含178个国家的信息看一年一度的全国估计克蛋白质人均消费。

代谢的研究已确定16%的蛋白质摄入排泄在各种形式的N,进行像素级消费比例由0.16获得一个N排泄基地。数据库建立了国家级蛋白质消费和人均GDP占数据不可用。

高分辨率的分水岭矢量数据与相应的男式紧身棉背心是一个自动化flow-accumulation过程。估计每个国家的排放成为世界海洋,所有国家内的男棉衣的废水是总结。

烟羽模型帮助分发值为沿海水域基于成本路径。这使得司机绕海角和岛屿。

模拟废水羽数据评估煤和海草N输入从废水。每个卫生系统的N值和总N废水为每个栅格单元包含提取栖息地。

结果

该模型表明,污水输入估计Tg沿海水域达6.2 N总人为的在世界各地的沿海生态系统。目前的高分辨率的模型能够识别的位置特别高(或低)输入(见图1)。

图1所示。总废水N . (A)的全球分布全球的陆地地图来源(绿色蓝色)和沿海扩散的输入(黄色到紫色)废水总量的N,以log10 (gN)两种。沿海羽毛被缓冲线段夸大模式在全球范围内可见。Insets显示放大视图(B)的恒河,多瑙河(C)和(D)长江(长江)河流、污水羽流在高分辨率。图片来源:Tuholske, et al ., 2021。

图2表明国家和地区的重大变化。

图2。总氮输入专属经济区(EEZ)沿海国家的水域,由源类型(下水道、感染性、直接)。全球总废水Tg N输入6.2,3.9 Tg从下水道,从感染性0.3 Tg, 2 Tg直接输入。前40个国家水平条形图所示;剩下的纸风车的国家,按大陆分组或更大的地理区域。注意,荷兰是两个地方所示(红色)帮助连接两部分的图的规模。图片来源:Tuholske, et al ., 2021。

该模型表明,从流域污水N的输入到沿海水域是高度集中,一半(N = 67308)的水域不加氮或病原体。

废水N源在不同watersheds-from下水道直接输入。通过建模废水N的羽流到沿海水域,评估,全世界大约58%的珊瑚礁和88%的海草床遇到一些人为N输入从废水(参见图3)。

图3。预期的N对敏感的沿海栖息地的影响。地图显示珊瑚礁(A)和(B)海草床严重影响(光栅细胞前2.5%的接触;红点),不影响(没有接触污水N;深蓝色圆点),或者影响但不是在前2.5%(黄点)。光栅细胞被表示为点视觉over-represents栖息地;红色是覆盖在上面使视觉占主导地位;蓝色的点是透明和覆盖在绿色/黄色点,这样更高密度的unimpacted亮蓝色区域。图片来源:Tuholske, et al ., 2021。

随着废水的影响,过度捕捞和栖息地退化的压力从沿海开发添加到其他的压力。

废水含有人类病原体和过量N,构成了对人类健康和生态健康风险。研究发现,25岁分水岭导致超过51%的FIO到海洋中。

废水影响人类健康的病原体通过创建水平升高使我们生病。同时,氮废水影响沿海生态系统,创造有害藻华,可导致沿海死亡区。沿海生态系统脆弱。我们担心过多的氮在沿海地区会导致临界点海洋生物不能恢复。

级联Tuholske,地球研究所博士后研究员,国际地球科学信息网络中心(CIESIN),哥伦比亚大学气候学校,哥伦比亚大学

图4。之间的关系级别N的输入与FIO分水岭。流域的总N超过红颜色(黄色)或低于(绿色蓝色颜色)预期水平给出预测氮/病原体从他们的相关输出。全球地图(A)和散点图的水域都全部(B)和(C)进行了放大。流域水平成正比的预期在地图上是白色的,包容的近50%的(非常小)流域没有氮或病原体输入。散点图中的点缩放大小的分水岭。图片来源:Tuholske, et al ., 2021。

图4显示了空间异质性当比较N与FIO输入。

地方N和FIO输入高度相关构成重大挑战中发现一个全面的解决方案。

结论

本文提供了所需的关键信息给需要清晰,突出FIO和N输入所有水域,和国家。然而,该模型并不完全占土地覆盖的变化,卫生效率、生态系统过程和其他生物地球化学过程。这项研究也没有考虑输入的磷或其他化学物质和污染物危害栖息地和物种。

这项研究是第一个生产高分辨率,可比数据映射陆基和下游接触源病原体和N在沿海生态系统和采用复杂,高分辨率数据对城市化和人口规模。

模型提供了一个对比高空间分辨率人口司机和粗粒度的动态景观。该模型可用于确定重点热点深入原位监测可以确定真正的来源和数量的污染物,如N。

期刊引用:

Tuholske, C。Halpern, b。,Blasco, G., Villasenor, J. C., Frazier, M., Caylor, K. (2021) Mapping global inputs and impacts from of human sewage in coastal ecosystems.《公共科学图书馆•综合》,16(11),p . e0258898。可以在:https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0258898。

引用和进一步阅读

1. Halpern, b。,等。(2008)全球地图的人类对海洋生态系统的影响。科学,319年,948 - 952页。doi.org/10.1126/science.1149345。
2. Vitousek, p . M。等。(1997)人类全球氮循环的改变:来源和后果。生态应用程序,7,737 - 750页。doi.org/10.1890/1051 - 0761 (1997) 007 (0737: HAOTGN) 2.0.CO; 2。
3. Halpern, b。,等。近年全球优先领域将连接在海洋保护。保护信,2,189 - 196页。doi.org/10.1111/j.1755 - 263 x.2009.00060.x。
4. 马龙,T C &牛顿(2020)的全球化文化在沿海海洋富营养化:原因和后果。海洋科学前沿,7,p . 670。doi.org/10.3389/fmars.2020.00670。
5. 希里曼,他问& B R(2019)气候变化,人类的影响,和沿海生态系统在人类世。当代生物学,29日R1021-R1035页。doi.org/10.1016/j.cub.2019.08.042。
6. 哈雷,c·d·G。等。(2006)气候变化的影响在沿海海洋系统。生态学通讯,9,228 - 241页。doi.org/10.1111/j.1461-0248.2005.00871.x
7. Diaz J &罗森博格,R(2008)死区蔓延,对海洋生态系统的影响。科学,321年,926 - 929页。doi.org/10.1126/science.115640。
8. Mekonnen, M M & Hoekstra Y(2015)全球灰水足迹和水的污染程度与人为氮负荷淡水。环境科学与技术,49,12860 - 12868页。doi.org/10.1021/acs.est.5b03191。
9. 拉尔,N . N。等。(2009)全球变化和沿海水域的富营养化。冰海洋科学杂志》上,66年(7),页1528 - 1537。doi.org/10.1093/icesjms/fsp047。
10. 豪沃思,R W(2008)沿海氮污染:全球和地区性的来源和趋势。有害藻类,814到20页。doi.org/10.1016/j.hal.2008.08.015。
11. Breitburg, d . L。等。(2009)低氧、氮和渔业:集成在局部和全局景观效果。海洋科学的年度审查,1,329 - 349页。doi.org/10.1146/annurev.marine.010908.163754。
12. 霍尔德,j . M。等。(2007)海草和富营养化。实验海洋生物学和生态学杂志》上,350年46 - 72页。doi.org/10.1016/j.jembe.2007.06.024。
13. 洛夫洛克,c, E。等。(2009)营养浓缩增加了红树林的死亡率。《公共科学图书馆•综合》,4,p . e5600。doi.org/10.1371/journal.pone.0005600。
14. Bertness, m . D。等。新英格兰(2002)人为修改盐沼风景。美国国家科学院院刊》上的美利坚合众国,99年,1395 - 1398页。doi.org/10.1073/pnas.022447299。
15. 阿尔提耶里,a . H。等。(2017)热带珊瑚礁死区和大量死亡事件。美国国家科学院院刊》上的美利坚合众国,114年,3660 - 3665页。doi.org/10.1073/pnas.1621517114。
16. 穿,s . L。等。(2021)污水污染,生态系统健康下降,和跨部门协作。生物保护,255年,p . 109010。doi.org/10.1016/j.biocon.2021.109010。
17. 穿,S L &瑟伯V R(2015)污水污染:缓解是珊瑚礁管理的关键。纽约科学院上,1355年15 - 30页。doi.org/10.1111/nyas.12785
18. 穿,S L(2019)与一个共同的敌人:联合对抗污水污染。生物科学,69年,360 - 367页。doi.org/10.1093/biosci/biz025。
19. Lassaletta、L。等。(2014)食品和饲料贸易作为一个司机在全球氮循环:50年的趋势。生物地球化学,118年,225 - 241页。doi.org/10.1007/s10533 - 013 - 9923 - 4。
20. 无,P & Combris P(2015)世界肉类消费模式:概述过去五十年(1961 - 2011)。肉类科学,109年,106 - 111页。doi.org/106-111.10.1016/j.meatsci.2015.12.003。
21. 王,X。,等。(2019)影响热点减少养分放电转变全球人口和饮食的改变。自然通讯,10,第2627页doi.org/10.1038/s41467 - 019 - 10445 - 0。
22. 马拉,D D(2003)水、环境卫生和个人卫生健康的发展中国家。公共卫生,117年,452 - 456页。doi.org/10.1016/s0033 - 3506 (03) 00143 - 4。
23. 谁(2019)进展家庭饮用水、环境卫生和个人卫生,2000 - 2017年:特别关注不平等。世界卫生组织。
24. Seitzinger S P & Kroeze C(1998)全球分销的一氧化二氮和N投入生产淡水和沿海海洋生态系统。全球生物地球化学循环,12,93 - 113页。doi.org/10.1029/97GB03657。
25. Seitzinger, s P。等。(2010)全球河流营养出口:情景分析过去和未来的趋势。全球生物地球化学循环,24。doi.org/10.1029/2009GB003587。
26. 马约加、E。等。(2010)全球营养从流域出口2(2)消息:模型开发和实现。环境建模与软件,25,837 - 853页。doi.org/10.1016/j.envsoft.2010.01.007。
27. 范Drecht, G。,等。(2009)全球氮和磷酸盐在城市污水的1970年到2050年。全球生物地球化学循环,23。doi.org/10.1029/2009GB003458。
28. Bouwman, a . F。等。(2005)探索河流氮变化出口到世界上的海洋。全球生物地球化学循环,19,p . 704。doi.org/10.1029/2004GB002314。
29. van Puijenbroek, p . j . t . M。等。(2019)全球氮和磷在城市废水基于共享社会经济的途径。《环境管理,231年,446 - 456页。doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.10.048。
30. 桑德斯,b·F。等。(2012)的“废物”“废水”水安全对人类和生态系统的可持续性。科学。doi.org/10.1126/science.1216852。
31. Pagilla, k . R。等。(2008)氮物种形成的污水处理厂入渗和effluents-the美国和波兰的案例研究。水科学与技术,1511 - 1517页。doi.org/10.2166/wst.2008.213。
32. 羊肉,j . B。等。(2017)海草生态系统减少人类暴露于细菌病原体,鱼类和无脊椎动物。科学,355年,731 - 733页。doi.org/10.1126/science.aal1956。
33. Kroeze, C。等。(2016)全球造型地表水质量:一个多元的污染的方法。当前的舆论环境的可持续性,2335 - 45页。doi.org/10.1016/j.cosust.2016.11.014。
34. Vilmin、L。等。(2018)形式和subannual可变性的氮、磷负荷在20世纪全球河流网络。全球行星变化,163年,67 - 85页。doi.org/10.1016/j.gloplacha.2018.02.007。
35. Beusen, H W & Van发现L P H(2015)耦合全球水文模型和营养保留加载来模拟氮和磷在地表水- IMAGE-GNM的描述和性能分析。立模型开发。doi.org/10.5194/gmd - 8 - 4045 - 2015。
36. Moree, a . L。等。(2013)探索全球氮和磷流动在城市废弃物在二十世纪。全球生物地球化学循环,27,836 - 846页。doi.org/10.1002/gbc.20072。
37. Seitzinger, s P。等。(2005)来源和交付的碳,氮,磷和沿海区域:全球营养从流域出口的概述(新闻)模型及其应用。全球生物地球化学循环,19。doi.org/10.1029/2005GB002606。
38. 范Drecht, G。,等。(2003)全球建模的命运点和非点源的来源的氮在土壤、地下水和地表水。全球生物地球化学循环,17。doi.org/10.1029/2003GB002060
39. 世卫组织/联合国儿童基金会(2017)世卫组织/儿童基金会联合监测项目。2017年。可以在:https://washdata.org/data/downloads世界。
40. 霍夫斯特拉,N & Vermeulen L C(2016)的影响人口增长、城市化和卫生条件变化对全球人类隐孢子虫排放到地表水。国际卫生和环境卫生杂志》上,219年,599 - 605页。doi.org/10.1016/j.ijheh.2016.06.005。
41. Vermeulen, l . C。等。(2019)世界上河流的隐孢子虫的浓度。水的研究,149年,202 - 214页。doi.org/10.1016/j.watres.2018.10.069。
42. Kiulia, n . M。等。(2015)全球轮状病毒的存在和排放到地表水。病原体,4,229 - 255页。doi.org/10.3390/pathogens4020229。
43. 霍夫斯特拉,N。等。(2013)探索全球隐孢子虫排放到地表水。科学的环境,442年10 - 19页。doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.10.013。
44. 伊斯兰教,M . M . M。等。(2018)造型河粪便细菌指标动态作为粪便污染减排的基础。《水文,563年,1000 - 1008页。doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.06.077。
45. 伊斯兰教,M . M . M。等。(2018)造型的影响未来社会经济和气候变化对河流水质微生物场景。国际卫生和环境卫生杂志》上,221年,283 - 292页。doi.org/10.1016/j.ijheh.2017.11.006
46. 红色,K。等。(2017)的敏感性和不确定性分析大陆范围内的病原体的污染在非洲的河流水质模型。生态模型,351年,129 - 139页。doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2017.02.008。
47. 马利克,o . A。等。(2015)的全球指标废水处理通知(西班牙)的可持续发展目标。环境科学与政策,48,172 - 185页。doi.org/10.1016/j.envsci.2015.01.005
48. Florczyk, a·J。等。(2019)描述的gh 2015年城市中心数据库。http://dx.doi.org/10.2760/037310。
49. Leyk、S。等。(2019)的空间分配人口:人口大规模网格数据的审查产品及其适用性。地球系统科学数据。doi.org/10.5194/essd - 11 - 1385 - 2019。
50. Tuholske, C。等。(2021)对跟踪西班牙指标度量网格人口数据。可持续性,13,p . 7329。doi.org/10.3390/su13137329。
51. Gerritse, r·G。等。(1995)从国内化粪池系统氮损失的亲爱的在澳大利亚西部高原。水的研究,29日,2055 - 2058页。doi.org/10.1016/0043 - 1354 (95) 00023 - e。
52. 凯,D。等。(2008)粪便指示生物浓度污水和废水处理。水的研究,42,442 - 454页。doi.org/10.1016/j.watres.2007.07.036。
53. 比尔,c, D。等。(2005)过程、性能和潜在污染:感染性tank-soil吸收系统的回顾。土壤的研究,43,781 - 802页。doi.org/10.1071/SR05018。
54. 联合国统计司(2013)标准国家和地区代码分类(m49)。可以在:http://unstats.un.org/unsd/methods/m49/m49regin.htm。
55. 雷纳,B。,等。(2008)新的全球水文学来自星载高程数据。EOS,89年,p . 93。doi.org/10.1029/2008EO100001。
56. 联合国粮食及农业组织(2017)蛋白质供应数量。可以在:http://www.fao.org/faostat/en/数据/的边后卫。
57. Smil, V(2002)氮和粮食生产:蛋白质对人类饮食。中:《人类环境,31日,126 - 131页。doi.org/10.1579/0044 - 7447 31.2.126。
58. Tilman, D。等。(2011)全球粮食需求和可持续农业的集约化。美国国家科学院院刊》上的美利坚合众国,108年,20260 - 20264页。doi.org/10.1073/pnas.1116437108。
59. 简森,年代K & Domingue J O(1988)从数字高程数据提取地形结构地理信息系统分析。摄影测量工程和遥感,54,1593 - 1600页。
60. Farr, T G & Kobrick M(2000)航天飞机雷达地形测绘任务产生了大量的数据。交易地球物理学联合会,81年,p . 583。doi.org/10.1029/EO081i048p00583。
61. unep - wcmc世界渔业中心WRI过渡委员会。(2018)全球分销的温水珊瑚礁,从多个来源包括编译项目年珊瑚礁映射。4.0版。包括来自IMaRS-USF和解码器(2005),IMaRS-USF(2005)和斯伯丁等。(2001)。可以在:http://data.unep-wcmc.org/datasets/1。
62. unep - wcmc SFT(2018)全球分销的海草(版本6.0)。第六次更新数据层中使用绿色和短(2003)。可以在:http://data.unep-wcmc.org/datasets/7。
63. Beusen、。等。河流N和P输移(2016)全球海洋增加在20世纪尽管保留在水生连续增加。Biogeosciences,13,2441 - 2451页。doi.org/10.5194/bg - 13 - 2441 - 2016。
64. Halpern, b。,等。(2008)管理的累积影响通过海洋分区基于生态系统的管理。海洋和沿海管理,51,203 - 211页。
65. 。
66. Pehlivanoglu-Mantas E & Sedlak D L(2008)测量溶解有机氮废水废水:浓度、粒度分布和NDMA形成的潜力。水的研究,42,3890 - 3898页。doi.org/10.1016/j.watres.2008.05.017。
67. 莫c . A。等。(2013)稳定同位素作为废水的指标对城市河流的大型无脊椎动物的影响。Hydrobiologia,700年,231 - 244页。doi.org/10.1007/s10750 - 012 - 1233 - 7。
68. 多数时候,B。,等。(2014)牡蛎δ15N作为一个潜在的废水和家禽养殖生物学指标的影响和水质退化Subestuary的切萨皮克湾。沿海研究期刊》的研究,30.,881 - 892页。doi.org/10.2112/jcoastres - d - 11 - 00231.1。
69. 狄龙,K S &强J P(2008)氮稳定同位素的大型植物评估雨水氮输入一个城市化的河口。河口和海岸,31日,360 - 370页。doi.org/10.1007/s12237 - 007 - 9028 - 1