Понимание того, как «морской снег» действует как поглотитель углерода | Новости Массачусетского технологического института

В некоторых частях глубокого океана может показаться, что идет снег. Этот «морской снег» представляет собой пыль и детрит, которые организмы сбрасывают, умирая и разлагаясь. Морской снег может выпадать на несколько километров в самые глубокие части океана, где его частицы погребены в морском дне на тысячелетия.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и их коллеги обнаружили, что при выпадении морского снега крошечные путешественники могут ограничивать глубину погружения частиц перед их растворением. Команда показывает, что когда бактерии попадают в частицы морского снега, они могут разъедать карбонат кальция, который является важным балластом, помогающим частицам тонуть.

Выводы, которые появится на этой неделе в Труды Национальной академии наукмогло бы объяснить, как карбонат кальция растворяется в мелких слоях океана, где, как предполагали ученые, он должен оставаться нетронутым. Результаты также могут изменить понимание учёными того, насколько быстро океан может поглощать углерод из атмосферы.

Морской снег является основным средством хранения углерода в океане. На поверхности океана фитопланктон поглощает углекислый газ из атмосферы и преобразует этот газ в другие формы углерода, включая карбонат кальция — тот же материал, который содержится в ракушках и кораллах. Когда они умирают, кусочки фитопланктона стекают по океану в виде морского снега, унося с собой углерод. Если частицы попадут в глубины океана, углерод, который они несут, может быть похоронен и заперт на сотни и тысячи лет.

Но новое исследование предполагает, что бактерии могут действовать против способности океана связывать углерод. Разрушая карбонат кальция, бактерии могут значительно замедлить опускание морского снега. Чем дольше они задерживаются, тем больше вероятность того, что частицы будут быстро вдыхаться, выделяя углекислый газ в мелководный океан и, возможно, обратно в атмосферу.

«Мы показали, что углерод может опускаться не так глубоко и не так быстро, как можно было бы ожидать», — говорит соавтор исследования Эндрю Бэббин, доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах и директор миссии Климатического проекта Массачусетского технологического института. «Пока человечество пытается найти выход из проблемы большого количества CO₂ в атмосфере мы должны принимать во внимание эти естественные микробные механизмы и обратные связи».

Основным автором исследования является Бенедикт Борер, бывший постдок Массачусетского технологического института, который сейчас является доцентом кафедры морских и прибрежных наук в Школе экологических и биологических наук Рутгерса; в число соавторов входят Адам Субхас и Мэтью Хейден из Океанографического института Вудс-Хоул, а также Райан Вусли, главный научный сотрудник Центра науки и стратегии устойчивого развития Массачусетского технологического института.

Похудение

Морской снег действует как главный «биологический насос» океана — процесс, с помощью которого океан вытягивает углерод с поверхности в глубины океана. По оценкам ученых, морской снег ежегодно поглощает миллиарды тонн углерода. Способность морского снега тонуть обусловлена главным образом минералами, такими как карбонат кальция, заключенными в его частицах. Минерал представляет собой плотный балласт, утяжеляющий частицу. Чем больше карбоната кальция содержит частица, тем быстрее она тонет.

На основе термодинамики ученые предположили, что карбонат кальция не должен растворяться в верхних слоях океана, учитывая общие условия температуры и pH на поверхности океана. Любой карбонат кальция, связанный с морским снегом, должен затем безопасно опускаться на глубину более 1000 метров, не растворяясь по пути.

Но океанографы уже давно наблюдают признаки растворенного карбоната кальция в верхних слоях океана, предполагая, что что-то иное, чем макромасштабные условия океана, растворяет минерал и замедляет биологический насос океана.

И действительно, команда Массачусетского технологического института обнаружила, что растворение карбоната кальция на мелководье — это микромасштабный процесс, который происходит в непосредственном окружении отдельной частицы.

«Большинство океанографов думают о макромасштабе, и в данном случае то, что происходит с микроскопическими частицами, фактически контролирует химический состав морской воды», — говорит Борер. «Последствия для способности океана улавливать углекислый газ многочисленны».

Тонущее сладкое место

В своем новом исследовании ученые поставили эксперимент по моделированию тонущей частицы морского снега и ее взаимодействия на микромасштабе. Команда синтезировала частицы, похожие на морской снег, которые они создали из различных концентраций карбоната кальция и бактерий — организмов, которые часто питаются частицами в океане.

«Океан — довольно разбавленная среда по отношению к органическому веществу», — говорит Бэббин. “Поэтому таким организмам, как бактерии, приходится искать пищу. А частицы морского снега для бактерий подобны чизбургерам”.

Команда разработала небольшой микрожидкостный чип для удержания частиц и пропускала через него морскую воду с разной скоростью, чтобы имитировать разные скорости погружения в океане. Их эксперименты показали, что всякий раз, когда частицы содержали какие-либо бактерии, они также быстро теряли некоторое количество карбоната кальция, который растворялся в окружающей морской воде. Поскольку бактерии питаются органическим материалом частиц, микробы выделяют кислотные отходы, которые растворяют неорганический, балластирующий карбонат кальция в частицах.

Исследователи также обнаружили, что количество растворяющегося карбоната кальция зависит от того, насколько быстро тонут частицы. Они обтекали частицы морской водой на медленной, средней и высокой скорости и обнаружили, что как медленное, так и быстрое погружение ограничивают количество растворенного карбоната кальция. При медленном погружении частицы не получают столько кислорода из окружающей среды, что, по сути, удушает любые путешествующие автостопом бактерии. Когда частицы быстро тонут, бактерии могут быть достаточно насыщены кислородом, но любые продукты жизнедеятельности, которые они производят, можно легко смыть, прежде чем они смогут растворить карбонат кальция в частицах.

На промежуточных скоростях есть золотая середина: бактерии достаточно насыщены кислородом и могут накапливать достаточно отходов, что позволяет микробам эффективно растворять карбонат кальция.

В целом, работа показывает, что бактерии могут оказывать существенное влияние на способность морского снега тонуть и связывать углерод в глубинах океана. Бактерии можно найти повсюду, особенно в мелководных районах океана. Даже если макромасштабные условия в этих верхних слоях не должны растворять карбонат кальция, исследование показывает, что бактерии, работающие на микроуровне, скорее всего, это делают.

Полученные данные могут объяснить наблюдения океанографов за растворенным карбонатом кальция в мелководных районах океана. Они также показывают, что бактерии и другие микробы могут действовать против естественной способности океана улавливать углерод, растворяя балласт морского снега и замедляя его опускание в глубины океана. Поскольку люди рассматривают климатические решения, предполагающие усиление биологического насоса океана, исследователи подчеркивают, что необходимо принимать во внимание роль бактерий.

«Идея этой работы жизненно важна для прогнозирования того, как экосистемы отреагируют на попытки удаления углекислого газа из морской среды, и в целом, как океаны изменятся в ответ на будущие климатические сценарии», — говорит Бенедикт Борер, который проводил эксперименты исследования в качестве постдока на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института.

Эту работу частично поддержали Фонд Саймонса, Национальный научный фонд и Климатический проект Массачусетского технологического института.