Forskere dykker ned i biogeokemien i havets anoxiske zoner

Uden opløst ilt til at opretholde dyr eller planter, havets anoxiske zoner er områder, hvor kun mikrober, der er egnede til miljøet, kan leve.

"Du får ikke store fisk, " sagde UC Santa Barbara biogeokemiker Morgan Raven. "Du får ikke engang karismatisk zooplankton." Men selvom anoxiske oceaner kan virke fremmede for organismer som os selv, der indånder ilt, de er fulde af liv, hun sagde.

Disse mærkelige økosystemer udvider sig, takket være klimaforandringerne - en udvikling, der bekymrer fiskeriet og alle, der er afhængige af iltrige have. Men det, der vækker Ravens interesse, er den skiftende kemi i havene – Jordens største kulstofdræn – og hvordan den kunne flytte kulstof fra atmosfæren til langsigtede reservoirer som klipper.

"Hvad sker der med vores kulstofkredsløb, når vi får disse store områder af havet, der er iltfrie?" hun sagde. Dette spørgsmål var centralt for forskning udført af Raven og kollegerne Rick Keil (University of Washington) og Samuel Webb (Stanford Linear Accelerator Laboratory) i et papir offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

'Et snurrende hjul'

I iltrige oceaner, kulstof flyttes hovedsageligt rundt af fødevævsprocesser, der begynder med kuldioxid-fikserende fytoplankton, der fotosyntetiserer ved vandoverfladen.

"Det meste af tiden bliver de bare spist af zooplankton, " sagde Raven. Men hvis de ikke bliver spist af større dyr, de går til dybet, hvor de indånder kuldioxid og udskiller organisk kulstof.

"Det er som et snurrehjul - CO ₂ går til plankton, går til CO ₂ , " sagde Raven.

I mangel af zooplankton og fisk, imidlertid, mere af det synkende organiske kulstof kan overleve og aflejres i dybden, hun sagde. Faktisk, sedimenter under disse anoxiske zoner har generelt flere organiske kulstofaflejringer end deres iltrige modstykker. Men, ifølge forskerne, vi mangler en "fuld mekanistisk forståelse" af, hvordan dette sker.

"Det har været lidt af et mysterium, " sagde Raven.

Holdet havde et fingerpeg i form af en hypotese dannet for omkring et årti siden af ​​Syddansk Universitets geolog Don Canfield og kolleger.

"De fremlagde denne idé, at måske inde i disse zoner, mikrober spiser stadig organisk kulstof, men respirerende sulfat, " sagde Raven. Kaldes "kryptisk svovlcykling, "Idéen var lidt svær at acceptere, hovedsagelig fordi produkterne af denne mikrobielle sulfatreduktion (MSR) var svære at opdage, og fordi andre forbindelser i området, såsom nitrater, var mere energisk gunstige at metabolisere.

Imidlertid, ifølge undersøgelsen, "der er nye molekylære og geokemiske beviser, der tyder på, at MSR kan forekomme i (iltmangelfulde zoner) på trods af rigeligt opløst nitrat."

Forskerne testede, om denne gådefulde proces muligvis gemmer sig inde i store (> 1 mm), hurtigt synkende organiske partikler ved at indsamle partikler fra den østlige tropiske nordlige Stillehav iltmangelzone, nogenlunde placeret ud for Mexicos nordvestlige kyst.

"Det er virkelig bare denne polymere, klæbrige ting, "Ravn sagde om aggregationerne af for det meste dødt fytoplankton, fækalt stof, andre små organismer og stumper af sand og ler, der bliver limet sammen i en "fluffy" matrix. Indsamling af disse partikler er i sig selv en bedrift for forskere, der finkæmmer de store oceaner for relativt små, diffuse partikler.

"Mine kolleger fra University of Washington havde denne indsamlingsanordning, der virkelig var den ting, der gjorde det muligt at gøre dette, " sagde hun. De indsamlede partikler blev sendt til Stanford Synchotron Radiation Lightsource til analyse.

Syltet planteplankton

Resultater af analysen, såsom bevis for produktion af organisk svovl i prøverne, demonstrere, hvad Raven kalder en "bejdsning" af det døde planteplankton, da de synker gennem det anoxiske område.

"Phytoplankton vokser i overfladehavet, men på grund af tyngdekraften, de synker, " sagde hun. Mens de falder gennem det anoxiske område, disse organiske tilslag gennemgår svovl, som har den effekt, at de beskytter kulstoffet i deres kerne mod enzymer eller andre stoffer, som ellers ville slide dem væk.

"Selv når det kommer til sedimentet, bakterier der kan ikke spise disse organiske partikler, " bemærkede Raven. Og ligesom de pickles, vi kender og elsker, konserveringsprocessen gør den organiske partikel modstandsdygtig over for bakterier, hun sagde, hvilket kunne forklare, hvorfor der findes mere organisk kulstof i sedimenterne under anoxiske havzoner.

Svovldannelse af organiske kulstofpartikler i anoxiske havzoner, mens det er blevet bekræftet i moderne oceaner, er faktisk en gammel proces, Raven forklarede.

"Det er den samme proces, der også kan lave olie, " hun sagde, påpeger, at hvor der findes olieleje, så, også, er svovl. Denne proces kan have været udbredt i kridtperioden (145,5 til 65,5 millioner år siden), da Jorden konsekvent var tropisk, og havet var udsat for geologiske og masseudryddelsesbegivenheder, der resulterede i begravelse af enorme mængder kulstof, og iltfattige farvande i hele Atlanterhavet.

"Hvad vi ikke vidste er, om dette også foregik i disse mindre ekstreme moderne miljøer, " sagde Raven.

Det, der mangler at blive set, er, hvordan disse voksende iltfattige zoner vil interagere med klimaændringer.

"Potentielt når disse zoner udvides, der kunne være en negativ feedback - mere CO ₂ i atmosfæren gør højere temperaturer, hvilket gør disse zoner større, " sagde Raven. "Disse større zoner fanger derefter mere CO ₂ og læg det i sedimentet og klipperne." Denne feedback kan hjælpe Jorden med at balancere sin kulstofkredsløb over tid, hun sagde, "men vi er nødt til at vide, hvordan dette hænger sammen med alt andet."