Forskargruppen sänker en partikeluppsamlingsanordning i vattnet utanför Manzanillos kust, Mexiko. Kredit: Morgan Raven
Utan löst syre för att underhålla djur eller växter, havets anoxiska zoner är områden där endast mikrober som är lämpade för miljön kan leva.
"Du får ingen stor fisk, " sa UC Santa Barbara biogeokemisten Morgan Raven. "Du får inte ens karismatisk djurplankton." Men även om syrefria hav kan tyckas främmande för organismer som vi själva som andas syre, de är fulla av liv, Hon sa.
Dessa märkliga ekosystem expanderar, tack vare klimatförändringarna – en utveckling som är av intresse för fisket och alla som förlitar sig på syrerika hav. Men det som väcker Ravens intresse är den föränderliga kemin i haven – jordens största kolsänka – och hur den kan flytta kol från atmosfären till långsiktiga reservoarer som stenar.
"Vad händer med vår kolcykel när vi får dessa stora områden av havet som är syrefria?" Hon sa. Denna fråga var central för forskning utförd av Raven och kollegor Rick Keil (University of Washington) och Samuel Webb (Stanford Linear Accelerator Laboratory) i en artikel publicerad i tidskriften Vetenskap .
"Ett snurrande hjul"
I syrerika hav, kol flyttas runt till stor del av näringsvävsprocesser som börjar med koldioxidfixerande växtplankton som fotosyntetiseras vid vattenytan.
"För det mesta blir de bara uppätna av djurplankton, " sa Raven. Men om de inte äts av större djur, de beger sig till djupet där de andas in koldioxid och utsöndrar organiskt kol.
"Det är som ett snurrande hjul - CO 2 går till plankton, går till CO 2 , " sa Raven.
I frånvaro av djurplankton och fisk, dock, mer av det sjunkande organiska kolet kan överleva och deponeras på djupet, Hon sa. Faktiskt, Sediment under dessa anoxiska zoner har i allmänhet fler organiska kolavlagringar än deras syrerika motsvarigheter. Men, enligt forskarna, vi saknar en "full mekanistisk förståelse" för hur detta sker.
"Det har varit lite av ett mysterium, " sa Raven.
Teamet hade en ledtråd i form av en hypotes som bildades för ungefär ett decennium sedan av Syddanmarks universitets geolog Don Canfield och kollegor.
"De lade ut den här idén att kanske inne i dessa zoner, mikrober äter fortfarande organiskt kol, men andas sulfat, " sa Raven. Kallas "kryptisk svavelcykling, "Idén var lite svår att acceptera till stor del eftersom produkterna från denna mikrobiella sulfatreduktion (MSR) var svåra att upptäcka, och eftersom andra föreningar i området, som nitrater, var mer energimässigt gynnsamma att metabolisera.
Dock, enligt studien, "det finns framväxande molekylära och geokemiska bevis som tyder på att MSR kan förekomma i (syrebristzoner) trots rikligt med löst nitrat."
Forskarna testade om denna gåtfulla process kan gömma sig inuti stora (> 1 mm), snabbt sjunkande organiska partiklar genom att samla partiklar från den östra tropiska norra Stillahavszonen med syrebrist, ungefär beläget utanför Mexikos nordvästra kust.
"Det är verkligen bara den här polymeren, klibbiga grejer, "Raven sa om ansamlingarna av mestadels döda växtplankton, fekal materia, andra små organismer och bitar av sand och lera som limmas ihop i en "fluffig" matris. Insamling av dessa partiklar är i sig en bedrift för forskare som kammar de stora haven efter relativt små, diffusa partiklar.
"Mina kollegor från University of Washington hade denna insamlingsenhet som verkligen var det som gjorde det möjligt att göra det här, " sa hon. De insamlade partiklarna skickades till Stanford Synchotron Radiation Lightsource för analys.
Inlagd växtplankton
Resultat av analysen, såsom bevis på produktion av organiskt svavel i proverna, demonstrera vad Raven kallar en "betning" av det döda växtplanktonet, när de sjunker genom det anoxiska området.
"Växtplankton växer i ythav, men på grund av gravitationen, de sjunker, " sa hon. När de faller genom det anoxiska området, dessa organiska aggregat genomgår sulfurisering, som har effekten att skydda kolet i deras kärna från enzymer eller andra ämnen som annars skulle slita bort dem.
"Även när det kommer till sedimentet, bakterier där kan inte äta dessa organiska partiklar, " noterade Raven. Och precis som pickles vi känner och älskar, konserveringsprocessen gör den organiska partikeln resistent mot bakterier, Hon sa, vilket skulle kunna förklara varför mer organiskt kol finns i sedimenten under anoxiska havszoner.
Sulfurisering av organiska kolpartiklar i anoxiska havszoner, medan det nyligen bekräftats i dagens hav, är faktiskt en gammal process, Raven förklarade.
"Det är samma process som också kan göra petroleum, " Hon sa, påpekar att där oljebäddar finns, så, för, är svavel. Denna process kan ha varit utbredd under kritaperioden (145,5 till 65,5 miljoner år sedan), när jorden konsekvent var tropisk och havet utsattes för geologiska och massutrotningshändelser som resulterade i att enorma mängder kol begravdes, och syrefria vatten i hela Atlanten.
"Vad vi inte visste är om detta också pågick i dessa mindre extrema moderna miljöer, " sa Raven.
Vad som återstår att se är hur dessa växande syrefattiga zoner kommer att interagera med klimatförändringarna.
"Potentiellt när dessa zoner expanderar, det kan finnas en negativ feedback - mer CO 2 i atmosfären gör högre temperaturer, vilket gör dessa zoner större, " Sa Raven. "Dessa större zoner fångar sedan in mer CO 2 och lägg det i sedimentet och stenarna." Denna feedback kan hjälpa jorden att balansera sin kolcykel över tid, Hon sa, "men vi måste veta hur detta hänger ihop med allt annat."
