Alvin, undervattensforskningsfordonet, har en robotarm som använder en provtagningsanordning för hydrauliska vätskor med en ”snorkel” som fastnar i den svarta rökvätskan. Operationen hjälper forskare att leta efter gammalt kol och grafit. Kredit:University of Delaware
I åratal, forskare som tittade på havsbottensediment skulle hitta bitar av svart kol tillsammans med organiskt kol strödda över havsbotten, men de kunde inte säga exakt var det härstammar från. Utmaningen med att studera djupt marint kol är att det är en blandning av färskt material som levereras från ytan och en åldrad komponent, vars ursprung tidigare varit okänt.
Nu, en ny University of Delaware-studie publicerad nyligen i Naturkommunikation visar för första gången att det gamla kolet som finns på havsbotten kan kopplas direkt till submikron -grafitpartiklar som härrör från hydrotermiska ventiler.
Identifiera källorna, transportvägar och ödet för detta havsbottenkol är nyckeln till att förstå dynamiken i den marina kolcykeln.
Havet fungerar som en reservoar för betydande mängder av både organiskt kol och koldioxid, som kan leda till försurning av havet eller omvandlas till bildande av organiskt kol via fotosyntes. Således, det är viktigt att förstå hur kol rör sig mellan olika faser i havet och hur det kan bli avskilt i djuphavet under extremt långa tidsperioder. Detta arbete visar att organiskt kol och koldioxid också kan omvandlas vid ventiler till en annan form av kol, grafit.
Studien leddes av Emily Estes, en före detta postdoktor vid UD som nu är en stabsforskare med International Ocean Discovery Program vid Texas A&M University, och George Luther, Maxwell P. och Mildred H. Harrington professor i marin kemi och Francis Alison professor vid UD's College of Earth, Hav och miljö (CEOE).
För att genomföra sin studie, forskarna använde prover av nanopartiklar från fem olika hydrotermiska ventilationsplatser som samlats in under en forskningsexpedition till East Pacific Rise -ventileringsfältet i Stilla havet 2017, finansierat av National Science Foundations program för marin geologi och geofysik.
Estes utförde provtagning ombord av hydrotermiska ventileringsvätskor och partiklar under expeditionen, som leddes av Luther.
När de kom tillbaka från forskningskryssningen och ville titta närmare på vad de samlat in, proverna analyserades under scanning och överföringsmikroskop av kollegor vid National Center for Earth and Environmental Nanotechnology Infrastructure (NanoEarth) vid Virginia Tech.
När de väl tittade på resultaten, Estes märkte ett stort antal submikrona grafitpartiklar, liknande det som finns i en vanlig blyertspenna, i proverna.
Även om det är känt att grafit kan bildas hydrotermiskt i sediment, denna studie visade att dessa submikronpartiklar av grafit som kommer ut ur ventilerna förekommer konsekvent i en rad ventilmiljöer, inklusive både fokuserade högtemperatur- och lågtemperaturventilationsplatser.
"Även om vår studie är en preliminär observation av dessa partiklar, det tyder på att de förmodligen är mycket utbredda och kan vara en betydande källa till denna typ av kol till djuphavet, sa Estes.
Förbisett grafit
Emily Estes (till höger) och Beverly Chiu (i mitten) diskuterar data med UD Prof. George Luther, samlas runt spektrofotometern som används för att göra snabba mätningar av järnkoncentrationen i prover av hydrotermiska vätskor. Kredit:University of Delaware
Tidigare studier kan ha förbisett betydelsen av grafitpartiklar på grund av det sätt på vilket löst organiskt kol och partikelformigt organiskt kol mäts.
Arbetar med Andrew Wozniak, biträdande professor vid School of Marine Science and Policy i CEOE, och Nicole Coffey, en student på masternivå i CEOE som också var på forskningskryssningen som grundutbildning 2017, Estes och Luther kunde visa att vanliga tekniker som används för att mäta upplöst organiskt kol eller partikelformigt organiskt kol också tar upp grafit.
Eftersom grafit bara består av kol, dock, om någon bara gjorde en generisk kol-14-mätning, de kanske förbiser att det finns hydrotermisk grafit i deras prov.
"Grafit är inte kol med väte, syre, kväve och andra element, " sa Luther. "Så här är en oorganisk form av kol, eftersom det är rent kol, som också mäts som organiskt kol, oavsett om det är löst eller partikelformigt. "
Att hitta dessa submikrongrafitpartiklar hjälper till att besvara ett mysterium som har gjort forskare förvirrade när det gäller upplöst organiskt kol i riktigt djuphavsmiljöer.
"Om du mäter kol-14-åldern på den, det visar sig vara lite äldre än du faktiskt förväntar dig och så det har funnits ett mysterium kring vad källan till detta gamla organiska kol är, "sa Estes." Vi visade att ventiler avger detta grafitiska kol. "
En annan viktig punkt i uppsatsen är att eftersom dessa grafitsubmikronpartiklar inte är täta och avger från de hydrotermiska ventilerna i plana arkliknande strukturer, de har potential att få med sig i havsströmmar och distribueras långt bort från ventilationsställena. Detta kommer att vara viktigt att ta i beaktande för framtida forskning när det gäller den marina kolcykeln.
"Nästa steg kommer att försöka faktiskt kvantifiera hur mycket kol som kommer ut från ventilationsöppningarna och sedan jämföra det med vad vi mäter som upplöst organiskt kol i havet och räkna ut vilken del av flödet det är, sa Estes.
