Как выращивание водорослей помогает климату и защищает океан

Аквакультура водорослей, являющаяся наиболее быстрорастущим сегментом мирового производства продуктов питания, открывает целый ряд возможностей для смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним.

Водорослевые фермы выделяют углерод, который может захораниваться в донных отложениях или выноситься в глубокое море, тем самым действуя как поглотитель CO₂. Этот урожай также может полностью или частично использоваться для производства биотоплива, обладая потенциалом смягчения выбросов CO₂ (с точки зрения предотвращённых выбросов от ископаемого топлива) около 1500 тонн CO₂ на км² в год. Аквакультура водорослей также может способствовать сокращению выбросов от сельского хозяйства за счёт улучшения качества почвы (замещая синтетические удобрения) и, при включении в рацион крупного рогатого скота, снижения выбросов метана у животных. Водорослевая аквакультура вносит вклад в адаптацию к изменению климата, ослабляя энергию волн и защищая береговые линии, а также повышая pH и насыщая воды кислородом, что локально снижает последствия закисления океана и деоксигенации. Однако возможности для расширения водорослевой аквакультуры ограничены наличием подходящих акваторий и конкуренцией за них с другими видами использования, техническими системами, способными выдерживать суровые условия в открытом море, а также растущим рыночным спросом на продукты из водорослей, среди прочих факторов. Несмотря на эти ограничения, методы выращивания водорослей можно оптимизировать для получения максимальной климатической выгоды, что, при условии экономической компенсации, может улучшить доходы водорослеводов.

При годовом объеме производства 27,3 млн тонн в 2014 году и темпах роста 8% в год аквакультура водорослей в настоящее время составляет 27% от общего объема морской аквакультуры. Тем не менее, стоимость произведенных водорослей составляет всего 5% от общей стоимости продукции аквакультуры (FAO, 2016a). Рассматривая технологическую цепочку водорослей — от производства через переработку до конечных продуктов, — рост фактического производства водорослей отстает от спроса на биомассу для многочисленных традиционных и новых применений этой расширяющейся культуры (Mazarrasa et al., 2014; Callaway, 2015). Дальнейшее расширение аквакультуры водорослей потребует развития квалифицированной рабочей силы и новых технологий для освоения дополнительных подходящих акваторий. Кроме того, диверсификация областей применения сделает отрасль более устойчивой к последствиям изменений спроса со стороны конкретных отраслей промышленности. Более тесная синергия между дальнейшим расширением аквакультуры водорослей и развитием новых направлений спроса на эту культуру будет иметь важное значение для продолжения роста этой зарождающейся «голубой» индустрии (Mazarrasa et al., 2014). Необходимо также рассмотреть вопрос о компенсации фермерам за роль производства водорослей в смягчении последствий изменения климата и адаптации к ним. Действительно, увеличение вклада аквакультуры водорослей в смягчение последствий изменения климата и адаптацию требует, чтобы производство водорослей продолжало расти. Однако дальнейший рост производства водорослей может привести к снижению рыночных цен, что, в свою очередь, отпугнет фермеров от занятия этой деятельностью. Таким образом, предоставление экономических стимулов, связанных с выгодами для смягчения последствий изменения климата и адаптации, может сыграть важную роль в поддержке увеличения производства водорослей в будущем.

Производство водорослей, как из диких запасов, так и из аквакультуры, представляет собой важный канал удаления CO₂ из атмосферы: сильно автотрофные сообщества водорослей в глобальном масштабе поглощают 1,5 Пг C в год за счет чистой продукции (Krause-Jensen и Duarte, 2016). Тем не менее, потенциал управления производством водорослей для смягчения изменения климата путем секвестрации CO₂ еще не был полностью интегрирован в формирующуюся концепцию «Голубого углерода», под которой понимаются стратегии смягчения изменения климата, основанные на способности морских растений связывать CO₂ (Nellemann et al., 2009; McLeod et al., 2011; Duarte et al., 2013). Причина такого пренебрежения заключается в убеждении, что подавляющая часть продукции водорослей разлагается в океане и, следовательно, не является чистым поглотителем CO₂. Однако этот взгляд был недавно оспорен (Hill et al., 2015; Trevathan-Tackett et al., 2015; Moreira и Pires, 2016), и новые данные свидетельствуют о том, что водоросли являются значимыми на глобальном уровне компонентами океанических поглотителей углерода (Krause-Jensen и Duarte, 2016). Таким образом, вклад водорослей в стратегии «Голубого углерода» и смягчения изменения климата в настоящее время пересматривается.

Один из путей расширения стратегий «Голубого углерода» для включения в них потенциала поглощения CO₂ водорослями заключается в управлении судьбой продукции водорослей, будь то из аквакультуры или вылова диких запасов, с целью сокращения выбросов CO₂ от использования ископаемого топлива. Это может быть достигнуто, например, за счет использования биомассы водорослей в качестве биотоплива, напрямую заменяющего ископаемое топливо (например, Kraan, 2013; Chen et al., 2015), и/или замены систем производства продуктов питания или кормов с высоким углеродным следом на системы питания на основе водорослей, которые имеют значительно более низкие выбросы CO₂ за жизненный цикл (Fry et al., 2012). Действительно, программа «Голубого углерода» на основе водорослей была разработана в Корее (Chung et al., 2013; Sondak и Chung, 2015), что представляет собой начальный шаг в этом направлении. Однако на долю Кореи приходится всего 6% мирового производства аквакультуры водорослей (FAO, 2016b), поэтому развитие выращивания водорослей как стратегии «Голубого углерода» для смягчения изменения климата потребует участия крупных производителей, таких как Китай, на долю которого приходится более половины мирового производства аквакультуры водорослей.

Развитие выращивания водорослей как стратегии смягчения изменения климата поможет смягчить существующие ограничения для дальнейшего роста аквакультуры водорослей. Рост производства водорослей превышает рост традиционных рынков, что приводит к устойчивому снижению цен примерно на 1–2% в год (Kronen et al., 2013), что отпугивает фермеров и инвесторов. Экономическая компенсация за экологические выгоды, обеспечиваемые выращиванием водорослей, включая его роль в смягчении изменения климата, позволит обеспечить дальнейший рост и более устойчивую индустрию аквакультуры водорослей. В частности, экономическая компенсация за климатические услуги, связанные с выращиванием водорослей, поможет создать новый рынок для производства водорослей, а также создаст стимулы для дальнейшего снижения выбросов CO₂ за жизненный цикл аквакультуры водорослей.

Здесь мы описываем потенциал развития выращивания «Голубого углерода» на основе водорослей как стратегии смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним. Для этого мы сначала оцениваем потенциал, основанный на диком производстве и аквакультуре, а также пути управления этим производством для достижения избегания выбросов CO₂ при возможном получении сопутствующих выгод для адаптации к изменению климата. Затем мы оцениваем роль аквакультуры водорослей в адаптации к конкретным последствиям изменения климата в морской среде, таким как закисление океана, деоксигенация и эрозия береговой линии (например, Gattuso et al., 2015). Наконец, мы предлагаем ряд действий, необходимых для консолидации такой программы как компонента пути к решениям по адаптации и смягчению последствий изменения климата.

Сообщества водорослей являются сильно автотрофными, производящими гораздо больше органического вещества посредством фотосинтеза, чем потребляется дыханием в экосистеме, и поэтому ответственны за значительную часть захвата CO₂ в заросших морской растительностью местообитаниях (Duarte и Cebrian, 1996). Верхний предел потенциала захвата CO₂ аквакультурой водорослей можно рассчитать как 2,48 млн тонн CO₂ (0,68 Тг C) в год. Этот верхний предел предполагает, что все 27,3 млн тонн сырого веса, произведенные в 2014 году, направлены на улавливание углерода со 100% выходом, определяемым средним содержанием углерода 24,8% от сухого веса водорослей (Duarte, 1992) и консервативным соотношением сухого веса к сырому, равным 0,1. Однако даже этот верхний предел составляет лишь около 0,4% от глобального захвата CO₂ дикими водорослями, оцениваемого в 173 Тг C в год (Krause-Jensen и Duarte, 2016). При текущих темпах роста верхний предел потенциала захвата CO₂ аквакультурой водорослей превысит 6% от глобальной секвестрации CO₂ дикими водорослями к 2050 году. Следовательно, захват CO₂ только за счет аквакультуры водорослей не может представлять собой основную основу программ сокращения выбросов при текущем и даже прогнозируемом потенциале. Однако эти сравнения основаны на количествах, распределенных по совершенно разным площадям. 173 Тг C в год, секвестрируемых дикими водорослями, распределены по всему океану, поскольку большая часть этой секвестрации происходит в глубоком море, а углерод, поддерживающий этот поток, производится на площади 3,5 млн км², занятой водорослями (Krause-Jensen и Duarte, 2016). Напротив, площадь, занятая аквакультурой водорослей, рассчитанная исходя из типичной урожайности аквакультуры водорослей 1604 тонн сухого веса на км² (The Fishery Bureau MoA, 2015), составляет всего около 1600 км² в глобальном масштабе, т.е. 0,04% площади, покрытой естественными местообитаниями водорослей, или около 0,004% от общего объема сельскохозяйственных угодий в мире (43 млн км² в 2000 году, Ramankutty et al., 2008). Таким образом, хотя аквакультура водорослей еще не достигла масштаба, который обеспечил бы глобальную роль в смягчении изменения климата, она обладает высоким потенциальным потенциалом секвестрации CO₂ — около 1500 тонн CO₂ на км² в год, что соответствует годовым выбросам CO₂ около 300 граждан Китая.

Хотя аквакультура водорослей в настоящее время занимает минимальную долю — 0,004% — прибрежного океана, возможности для расширения могут быть ограничены наличием подходящих акваторий и конкуренцией за подходящее пространство, а также могут столкнуться с ограничениями из-за лимитов производства водорослей, обусловленных доступностью питательных веществ, а также изменением температурных режимов. Современные технологии аквакультуры водорослей, основанные на простых конструкциях, могут применяться только на относительно защищенных участках, что ограничивает отрасль лишь частью потенциальной площади. Хотя последствия изменения климата для культивирования макроводорослей еще не до конца ясны (Callaway et al., 2012), потепление океана может снизить продуктивность фукоидных водорослей из-за физиологического стресса, а также дополнительного давления со стороны тепловодных травоядных (Harley et al., 2012), повышенной энергии штормов и снижения поступления питательных веществ (Callaway et al., 2012), что потенциально может снизить урожайность аквакультуры водорослей. Виды, культивируемые на широтах, близких к их термическим пределам, могут пострадать от дальнейшего потепления, тогда как потепление может увеличить урожайность в районах, где в настоящее время производство ограничено температурой или ледяным покровом, как, например, прогнозируется для Арктики (Krause-Jensen и Duarte, 2014). Кроме того, повышенный уровень CO₂ может увеличить урожайность аквакультуры водорослей (Callaway et al., 2012). Наконец, расширение аквакультуры водорослей должно также учитывать потенциальные последствия, такие как интродукция инвазивных видов. Однако оценка воздействия инвазивных видов водорослей, происходящих из аквакультуры (например, Undaria pinnatifida), показывает как выгоды, так и негативные последствия, которые не являются серьезными по своему характеру (McLaughlan et al., 2014).

Несмотря на указанные выше ограничения, возможности для расширения аквакультуры водорослей с использованием существующих конструкций и учетом ограничений являются значительными. Gattuso et al. (2006) рассчитали потенциальную площадь прибрежных вод, которую могут занимать морские макрофиты, на основе оценки их потребностей в свете и доступности света, — 5,71 × 10⁶ км² во внеполярных регионах. Однако эта оценка основана на свете, достигающем морского дна, тогда как аквакультура водорослей основана на водорослях, находящихся во взвешенном состоянии у поверхности, что позволяет преодолеть проблемы ограниченности освещения. Например, Норвегия оценила, что аквакультура водорослей может значительно стимулировать норвежскую биоэкономику (Skjermo et al., 2014) за счет расширения аквакультуры водорослей вдоль ее обширной (90 000 км²) и продуктивной экономической зоны с текущего пренебрежимо малого уровня до 20 × 10⁶ тонн к 2050 году (Olafsen et al., 2012). Площадь поверхности, занятая выращиванием водорослей, увеличилась более чем в три раза на побережье Норвегии всего за 3 года (между 2014 и 2016 годами, Stévant et al., 2017). Более того, возможности для расширения аквакультуры водорослей за пределы ныне пригодных районов могут быть расширены в будущем за счет развития офшорной аквакультуры, позволяющей выращивание (например, Sulaiman et al., 2015) и биопереработку водорослей (Fernand et al., в печати) на офшорных фермах (Lehahn et al., 2016). Современные модели морского пространственного планирования уже предлагают решения для конкурирующих требований к подходящему пространству, такие как совместное размещение офшорных ветряных электростанций и аквакультуры водорослей (Gimpel et al., 2015).

Однако расчеты потенциала удаления CO₂ с помощью аквакультуры водорослей также должны учитывать энергопотребление при выращивании водорослей. Анализ жизненного цикла показал, что чистое удаление CO₂ из атмосферы при производстве биотоплива из аквакультуры водорослей составляет около 961 кг CO₂ на тонну сухого веса водорослей (Alvarado-Morales et al., 2013). Потенциальный потенциал секвестрации CO₂ водорослевых ферм — около 1500 тонн CO₂ на км² в год — несколько превышает 10% от выбросов CO₂, предотвращаемых офшорными ветряными электростанциями, которые составляют около 12 500 тонн CO₂ на км² в год. Выбросы CO₂, предотвращаемые на единицу площади офшорными ветряными электростанциями, были рассчитаны путем деления предотвращения выбросов CO₂ ветряными электростанциями на площадь, занимаемую станциями, с поправкой на 2% выбросов CO₂ за жизненный цикл в течение номинального 20-летнего срока службы турбин (Martínez et al., 2009). Расчеты были основаны на данных для офшорной ветряной электростанции Sandbanks (Германия, 21 турбина на площади 61 км², Vattenfall, 2016)¹ и офшорной ветряной электростанции LINCS (Великобритания, 83 турбины на площади 35 км², Centrica Energy, 2007).

Очевидно, что приведенное выше сравнение позволяет предположить, что аквакультура водорослей не может быть предпочтительным вариантом, если единственной целью является смягчение изменения климата. Однако создание водорослевой фермы в некоторых регионах мира является относительно недорогим, требуя, например, первоначальных инвестиций менее 15 000 долларов США для фермы площадью 1 га в Мексике (Robledo et al., 2013), тогда как стоимость современной офшорной ветряной турбины, включая установку, составляет около 1,5 млн долларов США за турбину и предполагает на порядок более высокие затраты на техническое обслуживание. Следовательно, многие развивающиеся страны не могут позволить себе решение проблемы смягчения изменения климата с помощью дорогостоящих решений, таких как офшорные ветряные электростанции, но они действительно могут создавать водорослевые фермы и, тем самым, помимо смягчения климата, производить ценную биомассу с потенциалом для обеспечения продовольствием, кормами, биомолекулами и энергией (Msuya, 2011; Rebours et al., 2014). Более того, «голубое» биотопливо, такое как биотопливо из водорослей, не конкурирует за ресурсы с сельским хозяйством, поскольку не требует пахотных земель, пресной воды, удобрений, гербицидов или пестицидов и поэтому во многих отношениях является более экологически устойчивым, чем современное биотопливо, получаемое из наземных культур (Duarte et al., 2009, 2013). Расчеты площади, необходимой для аквакультуры водорослей для обеспечения 60% транспортного топлива, сильно варьируются: от менее 1% исключительной экономической зоны (ИЭЗ) для Норвегии до 10% голландской ИЭЗ и примерно вдвое больше немецкой ИЭЗ (Fernand et al., в печати). Возможность расширения аквакультуры водорослей за счет все большего освоения офшорных районов сопряжена с проблемами, включая новые инженерные решения для противостояния сильным волнениям на море, а также дополнительные затраты и энергопотребление, связанные с транспортировкой продукции и операторов на большие расстояния (Fernand et al., в печати). Кроме того, поскольку концентрации питательных веществ обычно снижаются в открытом море, доступность питательных веществ может налагать ограничения на урожайность аквакультуры водорослей на офшорных фермах (Fernand et al., в печати).

Поэтапный подход к максимизации выгод от аквакультуры водорослей включает последовательное извлечение высокоценных молекул, используемых в пищевой, фармацевтической или биотехнологической промышленности, таких как биоактивные сульфатированные полисахариды, пигменты и антиоксиданты (D'Orazio et al., 2012; Mak et al., 2014; Herrero и Ibáñez, 2015), а затем — после извлечения углеводов для гидроколлоидной промышленности или для производства биотоплива — преобразование низкоценного остатка в белковые концентраты, имеющие ценность в кормовой промышленности (Francavilla et al., 2015; Bikker et al., 2016; Seghetta et al., 2016). Водорослевые биоперерабатывающие заводы прошли путь от концепции и лабораторных испытаний до пилотных установок, охватывающих различные виды водорослей и условия окружающей среды (например, Baghel et al., 2014; Lorbeer et al., 2015; Bikker et al., 2016; Masarin et al., 2016), и вскоре могут стать коммерческими предприятиями. Ассортимент потенциальных продуктов также включает использование богатых питательными веществами остатков от производства биотоплива в качестве удобрений, что также может способствовать удержанию углерода в почве (Seghetta et al., 2016). Новые концепции биоэнергетики также используют побочные продукты и остатки водорослей в производстве энергии (Kaspersen et al., 2016).

Водорослевые фермы также служат источником растворенного органического углерода и взвешенного органического углерода, экспортируемых в соседние районы, где часть этого углерода может захораниваться (Zhang et al., 2012). Мы недавно обобщили 105 сообщений о секвестрации углерода водорослями в донных отложениях или глубоком море и показали, что 25% углерода, экспортируемого из зарослей макроводорослей, что составляет около 43% их чистой первичной продукции, секвестрируется в донных отложениях континентального шельфа или в глубоком море (Krause-Jensen и Duarte, 2016). Часть органического углерода, экспортируемого с водорослевых ферм, также в конечном итоге секвестрируется в донных отложениях или экспортируется в глубокое море (например, Zhang et al., 2012), что дополнительно подтверждает роль водорослевых ферм в смягчении изменения климата. Однако, поскольку водоросли, выращиваемые в аквакультуре, собираются, доля их чистой первичной продукции, доступная для секвестрации, вероятно, меньше, чем у естественных зарослей водорослей. В то время как большинство зарослей макроводорослей произрастают на скалистых берегах, что требует экспорта углерода в места осадконакопления для вклада в секвестрацию углерода (Krause-Jensen и Duarte, 2016), водорослевые фермы могут быть размещены на мягких донных отложениях, где детрит может захораниваться. В остальном процессы, способствующие секвестрации, сходны с теми, которые действуют в естественных зарослях водорослей, включая экспорт с океанскими течениями во время штормов и/или приливными течениями, транспорт в глубокое море по подводным каньонам и осаждение экспортированного материала водорослей, отягощенного эпифитами и/или камнями, прикрепленными к их ризоидам (Krause-Jensen и Duarte, 2016).

Даже там, где производство продуктов питания, а не смягчение изменения климата, является основной целью выращивания водорослей, выгоды с точки зрения смягчения изменения климата могут быть значительными. Причина этого в том, что выбросы CO₂, связанные с производством аквакультуры водорослей, значительно меньше, чем при производстве сопоставимого количества сельскохозяйственной продукции на суше. Сельское хозяйство ответственно за около 30% выбросов парниковых газов, возникающих в результате изменения землепользования при преобразовании диких экосистем в пахотные земли, интенсивных выбросов, связанных с производством и применением промышленных удобрений, и выбросов от крупного рогатого скота (Robertson et al., 2000; Smith, 2002). Аквакультура водорослей производит продукты питания, минимизируя при этом воздействия, связанные с наземными системами производства продуктов питания (например, Duarte et al., 2009). Например, недавние эксперименты in vitro показали, что ферментация водорослей, моделирующая пищеварение жвачных животных, значительно снижает выбросы метана (Kinley et al., 2016; Maia et al., 2016), и что добавление всего 2% определенных видов водорослей к рациону крупного рогатого скота может снизить выбросы метана от производства говядины на 99% (Machado et al., 2016). Действительно, в многих прибрежных регионах жвачных животных традиционно кормили водорослями в периоды нехватки кормов, но потенциальные выгоды с точки зрения снижения выбросов метана были осознаны лишь недавно (Kinley et al., 2016; Maia et al., 2016). Таким образом, добавление водорослей в корм жвачным животным может снизить выбросы метана, и если эта возможность будет подтверждена экспериментами in vivo и в фермерских масштабах, это может внести значительный вклад в смягчение выбросов этого мощного парникового газа. Пребиотические соединения и эссенциальные минералы в водорослях могут также способствовать повышению продуктивности и здоровья скота (Rey-Crespo et al., 2014; Makkar et al., 2016), а также замене использования антибиотиков в интенсивном животноводстве (O'Doherty et al., 2010; O'Shea et al., 2014). Дополнительным потенциальным преимуществом выращивания водорослей для сельского хозяйства является сообщаемое повышение продуктивности сельскохозяйственных культур за счет мелиорации почвы с помощью богатого питательными веществами биочара из водорослей (Roberts et al., 2015; Zacharia et al., 2015) или водорослевого компоста (Cole et al., 2016), что позволяет избежать выбросов, связанных с производством синтетических удобрений (Smith, 2002). Тем не менее, маловероятно, что аквакультура водорослей составит заметную долю производства растительной продукции на суше, особенно по мере роста спроса на продовольствие в связи с ростом численности населения.

МГЭИК определяет адаптацию к изменению климата как процесс приспособления к фактическому или ожидаемому климату и его последствиям (МГЭИК, 2014). В человеческих системах адаптация направлена на смягчение или предотвращение вреда либо использование благоприятных возможностей, тогда как в природных системах она относится к вмешательству человека для облегчения приспособления к ожидаемому климату и его последствиям (МГЭИК, 2014). В этом контексте мы рассматриваем использование аквакультуры водорослей для адаптации к изменению климата с точки зрения ее способности предотвращать вред для человеческих систем (например, защита побережья, обеспечение продовольственной безопасности) и уязвимых экосистем (например, предоставление убежищ от закисления океана и деоксигенации океана).

Создавая прибрежные местообитания, аквакультура водорослей может потенциально обеспечивать некоторые экосистемные функции, которые поддерживают естественные леса ламинариевых и заросли макроводорослей (Smale et al., 2013). Некоторые из этих функций, как упоминалось выше, способствуют смягчению изменения климата, тогда как другой набор функций дает выгоды для адаптации к изменению климата (Рисунок 1, ср. Duarte et al., 2013). Например, пологи культивируемых водорослей, как и естественных водорослей, гасят энергию волн и, следовательно, служат живыми прибрежными защитными сооружениями, смягчающими береговую эрозию (Mork, 1996; Løvås и Tørum, 2001). Сообщается, что норвежские леса ламинариевых, доминируемые Laminaria hyperborea, снижают высоту волн до 60% (Mork, 1996). Ключевое различие с точки зрения способности культивируемых водорослей снижать энергию волн заключается в том, что их пологи подвешены у поверхности, а не являются бентосными. Волногасящий эффект зависит от протяженности и структуры водорослевого местообитания (Gaylord et al., 2007), а также от энергии, поскольку водорослевые фермы могут быть повреждены во время высокоэнергетических штормов.

Рисунок 1 Обзор ключевых преимуществ выращивания водорослей для смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним. Фото: Yngvar Olsen.

Густые заросли водорослей, как культивируемых, так и диких, также представляют собой горячие точки продуктивности с соответствующим высоким pH в дневное время, когда фотосинтез снижает концентрацию CO₂ (например, Middelboe и Hansen, 2007; Krause-Jensen et al., 2015). Таким образом, они могут играть роль в защите кальцификаторов от прогнозируемого закисления океана (Krause-Jensen et al., 2015). Леса ламинариевых поддерживают высокое биоразнообразие, включая кальцификаторов, таких как омары, крабы, моллюски и ракообразные (Steneck et al., 2002; Smale et al., 2013), и высокий дневной pH, вероятно, способствует этому эффекту. Сообщается также, что водорослевые фермы поддерживают высокое биоразнообразие (Radulovich et al., 2015). Поскольку дневные периоды высокой продуктивности и pH в местообитаниях водорослей могут чередоваться с ночными периодами, когда дыхание создает пониженный pH (Delille et al., 2009), потенциал повышения pH и связанные с этим эффекты водорослей как убежищ для кальцификаторов должны увеличиваться с увеличением фотопериода. Действительно, в середине лета вблизи полюсов, где фотопериод превышает 21 час, продуктивность водорослей может создавать устойчивый высокий pH в течение летнего периода и быть особенно подходящей средой обитания для кальцификаторов (Krause-Jensen et al., 2016). Способность аквакультуры водорослей влиять на pH и обеспечивать убежища для кальцификаторов зависит также от режимов течения (Hurd, 2015) и возрастает в тех случаях, когда фермы расположены в прибрежной среде со слабыми течениями и/или там, где сами водоросли замедляют поток. Однако способность водорослевых ферм обеспечивать среду обитания для биоразнообразия является временной, поскольку эта способность утрачивается при сборе урожая.

Деоксигенация океана в связи с потеплением также является компонентом последствий изменения климата в океане, вызывающим растущую озабоченность (Keeling et al., 2010), особенно для эвтрофных прибрежных районов, которые особенно подвержены гипоксии (Diaz и Rosenberg, 2008). Аквакультура водорослей приводит к более автотрофным экосистемам, чем даже те, которые поддерживаются дикими водорослями, поскольку продукция собирается и, следовательно, удаляется из процесса реминерализации, потребляющего кислород в экосистеме. Таким образом, водорослевые фермы обеспечивают богатые кислородом местообитания, служащие убежищем от гипоксии и снижения уровня кислорода, что дополнительно способствует адаптации морских организмов к этому компоненту более теплого океана.

Максимизация воздействия выращивания водорослей на смягчение изменения климата также требует, чтобы фермы не оказывали негативного воздействия на естественные прибрежные запасы углерода, особенно на те, которые связаны с лугами морских трав. Луга морских трав являются горячими точками секвестрации углерода и, следовательно, ключевыми местообитаниями «Голубого углерода» (Duarte et al., 2005, 2013; McLeod et al., 2011; Fourqurean et al., 2012). Они уязвимы для антропогенных нарушений, приводящих к затенению и механическим повреждениям (Waycott et al., 2009), и то, и другое может быть результатом деятельности соседних водорослевых ферм. С другой стороны, удаление питательных веществ водорослевыми фермами может улучшить качество воды и способствовать восстановлению морских трав в сильно эвтрофированных районах.

Разумеется, размещение водорослевых ферм должно также учитывать требования к среде обитания культивируемых водорослей (Kerrison et al., 2015), а также условия местообитания, оптимизирующие качество урожая для целевого использования (Bruhn et al., 2016). Дополнительные экологические выгоды могут возникнуть при выборе районов, уже обогащенных питательными веществами, включая использование в поликультурах для снижения воздействия питательных веществ от аквакультуры животных. Хотя выращивание водорослей в эвтрофных условиях может увеличить урожайность некоторых культур, это может представлять серьезную проблему для других культур, таких как ламинариевые, которые рискуют зарастанием эпифитами и поэтому лучше растут на менее эвтрофных участках с достаточным водотоком для пополнения питательных веществ, CO₂ и кислорода, а также ограничения роста эпифитов (Bruhn et al., 2016).

Размещение водорослевых ферм в районах, подвергающихся особому риску от последствий изменения климата, таких как низменные прибрежные районы, уязвимые для затопления во время штормов при повышении уровня моря, районы, подверженные воздействию закисленных и/или обедненных кислородом вод, может стать тактическим подходом к повышению выгод аквакультуры водорослей для адаптации к изменению климата. Однако эти и другие условия окружающей среды также накладывают ограничения на тип водорослей, которые можно выращивать, а также на возможные продукты, которые могут быть получены на ферме.

Пространственное планирование аквакультуры водорослей для смягчения изменения климата должно также стремиться к минимизации выбросов CO₂ за жизненный цикл путем совместного размещения фермерских хозяйств и перерабатывающих предприятий, а также покрытия потребностей в энергии за счет возобновляемых источников энергии, где это возможно. Кроме того, пространственное планирование необходимо для минимизации негативных взаимодействий с другими видами использования прибрежной зоны, такими как судоходство, а также для минимизации воздействия аквакультуры водорослей на окружающую среду.

Приведенное выше обсуждение представляет ряд аргументов в поддержку рассмотрения аквакультуры водорослей как инструмента смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним, одновременно выявляя возможные оговорки и ограничения. Действительно, растущая индустрия аквакультуры водорослей уже приносит эти выгоды, которые не были должным образом учтены и не были засчитаны фермерам, выращивающим водоросли. Из-за очень низких инвестиций, необходимых для создания водорослевых ферм, аквакультура водорослей является особенно разумной стратегией для прибрежных развивающихся стран, позволяющей внести вклад в смягчение изменения климата при одновременной защите их береговой линии и морских экосистем от некоторых последствий изменения климата, таких как закисление океана и деоксигенация океана. Ограничения для расширения выгод от аквакультуры водорослей для смягчения климата и адаптации многочисленны. В случае Китая основными проблемами являются конкуренция за подходящее пространство с другими видами использования и поддержание достаточной нормы прибыли для продолжения привлечения фермеров. В более общем плане ограничения включают физические ограничения, такие как наличие подходящих акваторий; регуляторные ограничения, такие как требования к концессиям на аквакультуру водорослей; ограничения морского пространственного планирования, такие как конкуренция за пространство с другими видами морской деятельности; и рыночные ограничения, такие как наличие спроса на продукцию аквакультуры водорослей, необходимое для поддержания нормы прибыли, которая может мотивировать потенциальных фермеров к участию. Продвижение аквакультуры водорослей как компонента стратегий смягчения последствий изменения климата и адаптации требует, чтобы все четыре измерения социально-экологической системы, поддерживающей аквакультуру водорослей (ср. Broitman et al., 2017), были рассмотрены: (1) биологическая продуктивность для усиления улавливания углерода, (2) экологические ограничения для расширения аквакультуры водорослей, (3) политические инструменты, обеспечивающие аквакультуру водорослей, и (4) управление общественными предпочтениями и рыночным спросом на продукты из водорослей. Поддержание рыночной цены, которая поощряет фермеров, выращивающих водоросли, к участию и внедрению улучшений в дизайне для максимизации климатических услуг, предоставляемых фермой, требует диверсификации рынков для увеличения спроса на продукты из водорослей. Субсидирование фермеров, прямо или косвенно через налоговые льготы, для ферм, сертифицированных как фермы «Голубого углерода» на основе водорослей, может дополнительно повысить участие в этой стратегии. Хотя вклад аквакультуры водорослей в смягчение последствий изменения климата и адаптацию останется глобально скромным, он может быть значительным в развивающихся прибрежных странах и обеспечит дополнительную ценность к общественным выгодам, получаемым от аквакультуры водорослей.

¹ Доступно онлайн по адресу: https://corporate.vattenfall.com/about-energy/renewable-energy-sources/wind-power/wind-power-at-vattenfall/

Duarte CM, Wu J, Xiao X, Bruhn A and Krause-Jensen D (2017) Can Seaweed Farming Play a Role in Climate Change Mitigation and Adaptation?. Front. Mar. Sci. 4:100. doi: 10.3389/fmars.2017.00100

Перевод статьи «Can Seaweed Farming Play a Role in Climate Change Mitigation and Adaptation?» авторов Duarte CM, Wu J, Xiao X, Bruhn A and Krause-Jensen D., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: wikipedia