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海洋中的浮游动物 来源：Mukul Sharma/Dartmouth
来源 达特茅斯学院
翻译 科研圈bot
近日，一项新研究提出了一种将碳转化为浮游动物食物的新方法，这能令这种数以万计的微小海洋生物将粪便的形式将碳送至深海，从而在应对气候变化。
该技术利用动物的旺盛食欲加速了海洋从大气中去除碳的自然循环，这项发表在《科学报告》（Scientific Reports）上的研究称这个过程为“生物泵”。
首先，研究者在藻华结束时向海洋表面喷洒黏土粉尘。这些藻华能够扩展至覆盖数百平方英里，每年从大气中吸收约 1500 亿吨二氧化碳，并将其转化为有机碳颗粒。然而，一旦藻华死亡，海洋细菌会吞噬这些颗粒，将大部分被捕获的碳重新释放回大气中。
研究人员发现，黏土粉尘会附着在碳颗粒上，令其成为贪婪的浮游动物吞食的微小粘性颗粒，随后这些浮游动物会在较深水域处排泄。这样，藻类吸收的碳就会在重新进入大气前被引入海洋食物链。
“通常情况下，仅有一小部分在表层捕获的碳能够进入深海进行长期储存，”该研究的通讯作者、美国达特茅斯学院地球科学教授穆库尔·夏尔马（Mukul Sharma）说道。“我们的方法的新颖之处在于利用黏土来提高生物泵的效率——浮游动物会产生含有黏土的粪便，从而下沉得更快。”
“这种颗粒物质正是这些小家伙们被设计来摄取的食物。我们的实验表明，它们无法分辨这些颗粒是粘土和浮游植物，还是仅有浮游植物——它们只是吃掉这些东西，”他说。“而当它们排泄时，已经身处海面之下数百米深的位置，碳也就随之沉入深处。”
该团队在实验室中对 2023 年藻华期间从美国缅因湾采集的水样进行了实验。他们发现，当黏土附着在藻华死亡时释放的有机碳上时，会促使海洋细菌产生一种胶状物质，这种物质使黏土和有机碳结合形成微小的球状物，被称为絮凝体（flocs）。
研究人员报告称，这些絮凝体成为了浮游动物日常吞食的颗粒物的一部分。一旦被消化，嵌入动物粪便中的絮凝体就会下沉，有可能将碳埋藏在可以储存千年的深处。研究还发现，未被食用的黏土碳球也会下沉，在下沉过程中，随着更多有机碳以及死亡和垂死的浮游植物附着其上，其体积不断增大。
在团队进行的实验中，黏土粉尘能捕获多达 50% 的死亡浮游植物释放的碳，防止其飘散到空气中。研究者还发现，添加黏土能使黏性有机颗粒的浓度提升十倍——这些颗粒在下沉过程中会收集更多碳。同时，研究人员报告称，经过黏土处理的海水中，那些促使碳重新释放到大气中的细菌数量也大幅减少。
夏尔马表示，在海洋中，这些絮凝体变成了被称为“海洋雪”的生物泵的重要组成部分。海洋雪指从海面持续降下的生物尸体、矿物质及其他有机物质，为深海带来食物和养分。“我们正在制造海洋雪，通过专门附着于黏土颗粒的混合物，能够以更快的速度将碳埋存在海底。”
浮游动物贪婪的食欲，以及被称为昼夜垂直迁移的惊人日常旅程加速了这一过程。在夜幕的掩护下，这些动物——每个体长不到 10 微米——以一次巨大的动作从深处上升数十甚至数百米，前往富含营养的表层水域觅食。这一规模类似于整座城镇的人每晚移动数百公里前往他们最喜欢的餐馆。
当黎明到来时，动物们带着体内的絮凝物返回更深的水域，并在那里将其作为粪便排出。这种加速过程，即所谓的主动运输，是海洋生物泵的另一个关键方面，它通过下沉的方式缩短了碳到达更深水域所需的时间，节省了数天时间。
夏尔马计划通过使用农用喷洒飞机在美国南加州海岸附近的浮游植物藻华上方喷洒黏土，进行实地测试。他希望在近海不同深度放置的传感器能够捕捉到不同种类的浮游动物摄取黏土-碳絮状体的具体方式，从而使研究团队能够更好地评估实施此方法的最佳时机和地点——以及究竟会有多少碳被固定在深海中。
“找到合适的海洋环境来开展这项工作至关重要，这不是一件随意的事。”夏尔马说。“我们首先需要了解这种做法在不同深度的效率，以便确定最佳的启动地点，然后再投入使用。目前我们尚未达到那一步，仍处于起步阶段。”
原文链接：
https://www.eurekalert.org/news-releases/1067152
【标题】Organoclay flocculation as a pathway to export carbon from the sea surface
【作者】Sharma, D., Menon, V.G., Desai, M. et al.
【期刊】Scientific Reports
【日期】10 December 2024
【DOI】https://doi.org/10.1038/s41598-024-79912-z
【摘要】Marine microorganisms play a critical role in regulating atmospheric CO2 concentration via the biological carbon pump. Deposition of continental mineral dust on the sea surface increases carbon sequestration but the interaction between minerals and marine microorganisms is not well understood. We discovered that the interaction of clay minerals with dissolved organic matter and a γ-proteobacterium in seawater increases Transparent Exopolymer Particle (TEP) concentration, leading to organoclay floc formation. To explore this observation further, we conducted a microcosm experiment using surface seawater collected from the Spring 2023 phytoplankton bloom in the Gulf of Maine. Unfiltered (natural community) and filtered (200 μm and 3 μm) seawater was sprayed with clay (20 mg L− 1 and 60 mg L− 1) and incubated. All clay treatments led to a tenfold increase in TEP concentration. 16S rRNA gene amplicon sequence analyses of seawater and settled organoclay flocs showed the dominance of α-proteobacteria, γ-proteobacteria, and Bacteroidota. The initial seawater phytoplankton community was dominated by dinoflagellates followed by a haptophyte (Phaeocystis sp.) and diatoms. Following clay addition, dinoflagellate cell abundance declined sharply while diatom cell abundance increased. By analyzing organoclay flocs for 18S rRNA we confirmed that dinoflagellates were removed in the flocs. The clay amendment removed as much as 50% of phytoplankton organic carbon. We then explored the fate of organoclay flocs at the next trophic level by feeding clay and phytoplankton (Rhodomonas salina) to Calanus finmarchicus. The copepod ingested R. salina and organoclay flocs and egested denser fecal pellets with 1.8- to 3.6- fold higher sinking velocity compared to controls. Fecal pellet density enhancement could facilitate carbon sequestration through zooplankton diel vertical migration. These findings provide insights into how atmospheric dust-derived clay minerals interact with marine microorganisms to enhance the biological carbon pump, facilitating the burial of organic carbon at depths where it is less likely to exchange with the atmosphere.
【链接】https://www.nature.com/articles/s41598-024-79912-z
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