Forskning giver ny indsigt i planktons kritiske roller i marin kulstoflagring

Havet er Jordens mest formidable kuldioxid-lagringsmaskine, men mysterier florerer stadig om de sammenlåsende processer i denne opbevaring og de utallige involverede organismer.

Nu, takket være en række artikler offentliggjort i tidsskriftet Grænser i havvidenskab , forskere ved Florida State University er på vej mod en klarere forståelse af havets kulstoflagring, dets biologiske aktører og de faktorer, der kunne begrænse dets effektivitet.

I tre undersøgelser af den biologiske kulstofpumpe - den proces, hvorved kuldioxid produceret af fotosyntetiske alger i overfladehavet overføres til havbunden og opbevares i årtusinder - fandt lektor i oceanografi Mike Stukel og hans samarbejdspartnere ud af, at mikroskopisk zooplankton spiller afgørende, ofte undervurderede og nogle gange oppositionelle roller i transporten og bindingen af ​​kulstof.

"Disse organismer bidrager til den biologiske kulstofpumpe ved at skabe kulstofrige fækale pellets, der synker hurtigt ned i havet, " sagde Stukel. "Men nogle zooplankton lever også af synkende partikler, og dermed reducere effektiviteten af ​​den biologiske kulstofpumpe."

Omkring 5-12 metriske gigaton kulstof transporteres årligt af den biologiske kulstofpumpe - et volumen svarende til mængden af ​​kuldioxid, der produceres af mennesker hvert år gennem afbrænding af fossile brændstoffer.

Imidlertid, horder af sultne zooplankton hundreder af meter under overfladen forbruger ofte kulstofrige partikler, der synker mod havbunden, afbryde denne transportproces.

"Dette forhindrer kulstoffet i at blive bundet på dybere dybder og sikrer, at det vil være tilbage i atmosfæren hurtigere, " sagde Stukel.

De fleste undersøgelser af zooplanktons rolle i globale biogeokemiske kredsløb, Stukel sagde, har hovedsageligt fokuseret på krill og lignende almindelige grupper, med den antagelse, at deres adfærd er repræsentativ for alt zooplankton i havet. Men hans undersøgelse viser de mange forskellige måder, disse diminutive organismer kan ændre på, og nogle gange hæmmer, den biologiske kulstofpumpe.

I en undersøgelse af to specifikke typer af zooplankton, fæodarer og pteropoder, Stukel og hans team fandt ud af, at disse grupper af synkende partikel-fødende organismer kan påvirke kulstoftransporten lige så meget som mere rigelige suspension-feeder zooplankton som krill, som spiser på flydende organisk materiale tættere på havets overflade.

"Nogle arter har meget forskellige egenskaber, som giver dem en overordnet betydning i marin biogeokemi, " han sagde.

Den regelmæssige lodrette migration af zooplankton fra overfladen til dybere farvande er afgørende for transport og sikker binding af kulstof i havet. Stukel og FSU-kandidatstuderende Thomas Kelly fandt ud af, at disse utrættelige rejsende står for langt mere kulstoftransport, end tidligere skøn antyder.

Ved hjælp af en avanceret, integreret økosystemmodel, Stukel og Kelly evaluerede algeproduktionshastigheder på overfladeniveau, biomasseestimater og krav til fisk og dyreplanktonbytte. Deres model viste, at de metaboliske krav fra organismer hundreder af meter under overfladen krævede større migrator-leveret kulstof end forventet.

Resultatet:Betydelig kulstoftransport fra vertikalt migrerende zooplankton var mere økologisk vigtig end forventet.

"De fleste tidligere estimater af migrationsrelateret kulstofflux har antydet, at migration kun er ansvarlig for 5 til 20 procent af nedadgående flux, " sagde Stukel. "Men vores undersøgelse tyder på, at tidligere resultater kan have undervurderet den sande betydning af migration, og at det faktisk kan bidrage med næsten halvdelen af ​​den samlede flux i produktive kystområder."

Forskere har et arsenal af strategier til at vurdere kulstofrig partikelflux i den biologiske kulstofpumpe. Nogle af dem, som drivende sedimentfælder, kræver lang tid ombord på forskningsfartøjer, en udgift, der ofte kan være uoverkommelig.

En anden metode, kaldet optisk billeddannelse, giver videnskabsmænd mulighed for at tage detaljerede billeder af partikler med undervandskameraer og bruge profiler af partiklernes størrelser til at opnå ny forståelse af deres bevægelse gennem vandsøjlen.

"I bund og grund, teorien fortæller os, at der burde være sammenhænge mellem partikelstørrelse og både synkehastighed og kulstofindhold, " sagde Stukel. "Hvis vi kan måle størrelsen og mængden af ​​partikler - og hvis disse teoretiske forhold holder - kan vi estimere partikelflux ved at tage billeder af partikler i havet."

Stukel og FSU kandidatstuderende Christian Fender satte den mere omkostningseffektive optiske billeddannelsesmetode på prøve. De fandt ud af, at konventionelle algoritmer til måling af partikelflux fra billedprofiler fungerede særligt dårligt i California Current Ecosystem. Det primære problem, Stukel sagde, var algoritmernes manglende evne til at tage højde for tungere, hurtigt synkende dyreplankton fækale pellets, som er en vigtig komponent i regionens samlede partikelflux.

Som svar på dette fund, holdet udviklede en algoritme designet til at estimere flux ud fra partikelstørrelse under de specifikke forhold i California Current Ecosystem. Disse specielt skræddersyede parametre, som understregede vigtigheden af ​​dyreplanktonfækale pellets, markant bedre end standardalgoritmerne.

Undersøgelsen viste, at for bedst muligt at udnytte mere overkommelige optiske billeddannelsesstrategier, forskere skal være meget opmærksomme på de specifikke miljøer og partikler, de undersøger.

"Vores resultater viser, at kameraer ikke kun skal kvantificere størrelsen af ​​partiklen, men også klassificere hvilken type partikel det er, " sagde Stukel.

De tre undersøgelser produceret af Stukel og hans team afslører ny indsigt i mikroskala-mekanikken i en af ​​verdens vigtigste kulstoftransportprocesser. Ud over at fremhæve det gatekeeping-zooplankton, der ofte standser bindingen af ​​meget kulstofholdige partikler og den historisk undervurderede rolle, som plankton-migratorer spiller i den biologiske kulstofpumpe, forskningen giver også vigtige forslag til, hvordan man bedre kan evaluere kulstofflux i variable havmiljøer rundt om i verden.

Stukel sagde, at den bedste måde at opnå en mere omfattende forståelse af den biologiske kulstofpumpe på er at udvikle en dybere forståelse for den mængde plankton, der holder den pumpende.

"I betragtning af deres forskellige roller i den biologiske kulstofpumpe, det er vigtigt for forskere ikke kun at overveje, hvor mange zooplankton der er i en bestemt region, men også at fokusere på disse gruppers mangfoldighed og funktionelle roller, " han sagde.