Биологический насос

редактировать
Биологически обусловленное связывание углерода океаном из атмосферы во внутренние части океана и на морское дно пелагическая пищевая сеть, демонстрируя центральное участие морских микроорганизмов в том, как океан импортирует углерод, а затем экспортирует его обратно в атмосферу и дно океана

Биологический насос в простейшем виде форма - это биологически обусловленное связывание океаном углерода из атмосферы во внутренние части океана и донные отложения. Это часть океанического углеродного цикла, ответственная за круговорот органического вещества, образованного в основном фитопланктоном во время фотосинтеза (мягких тканей насос), а также круговорот карбоната кальция (CaCO 3), образованного в раковинах некоторыми организмами, такими как планктон и моллюски (карбонатный насос).

Биологический насос - это не столько результат одного процесса, сколько сумма ряда процессов, каждый из которых может привести к биологической откачке.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Первичная добыча
  • 3 Карбонат кальция
  • 4 Углеродный цикл океана
  • 5 Процессы перекачки
    • 5.1 DIC, DOC, POC И PIC
    • 5.2 Вертикально миграции
    • 5.3 Насос растворимости
    • 5.4 Морской снег
    • 5.5 Липидный насос
    • 5.6 Морской снег
    • 5.7 Желейный насос
    • 5.8 Гипотеза биолюминесцентного шунта
    • 5.9 Насос континентального шельфа
  • 6 Роль микроорганизмов
    • 6.1 Микробная петля
    • 6.2 Вирусный шунт
  • 7 Количественная оценка
  • 8 Антропогенные изменения
  • 9 Необходимые исследования
  • 10 См. также
  • 11 Ссылки

Обзор

Компоненты биологического насоса Фотозона: 0–100 м; Мезопелагическая: 100–1000 м; Батипелагический: от 1000 до бездонной глубины. На глубине менее 1000 м углерод считается удаленным из атмосферы не менее чем на 100 лет. Очистка: включение DOC в тонущие частицы.

Биологический насос можно разделить на три отдельные фазы, первая из которых - производство фиксированного углерода планктонными фототрофами в эвфотических (залитый солнцем) участок поверхности океана. В этих поверхностных водах фитопланктон использует двуокись углерода (CO 2), азот (N), фосфор (P) и другие микроэлементы (барий, железо, цинк и т. Д.) Во время фотосинтеза с образованием углеводов, липиды и белки. Некоторые виды планктона (например, кокколитофориды и фораминиферы ) объединяют кальций (Са) и растворенные карбонаты (угольную кислоту и бикарбонат ) с образованием защитное покрытие из карбоната кальция (CaCO 3).

После того, как этот углерод закреплен в мягкой или твердой ткани, организмы либо остаются в эвфотической зоне для повторного использования в рамках регенеративного цикла питательных веществ, либо, когда они умирают, переходят ко второму фазу биологического насоса и начинают опускаться на дно океана. Тонущие частицы часто образуют агрегаты по мере опускания, что значительно увеличивает скорость опускания. Именно эта агрегация дает частицам больше шансов избежать нападения хищников и разложения в толще воды и в конечном итоге добраться до морского дна.

Связанный углерод, который разлагается бактериями по пути вниз или один раз на морском дне, затем поступает в заключительную фазу насоса и реминерализуется для повторного использования в первичном производстве. Частицы, которые полностью ускользают от этих процессов, задерживаются в отложениях и могут оставаться там миллионы лет. Именно этот секвестрированный углерод отвечает за окончательное снижение содержания CO 2.

в атмосфере. Биологический насос отвечает за преобразование растворенного неорганического углерода (DIC) в органическую биомассу и закачивание его в твердые частицы или растворенная форма в глубокий океан. Неорганические питательные вещества и углекислый газ фиксируются во время фотосинтеза фитопланктоном, который выделяет растворенное органическое вещество (РОВ) и потребляется растительноядным зоопланктоном. Более крупный зоопланктон - такой как веслоногие рачки, гест фекальные гранулы - которые могут повторно попадать в организм и тонуть или собираться вместе с другим органическим детритом в более крупный, более быстро тонущий агрегаты. DOM частично потребляется бактериями (черные точки) и вдыхается; оставшийся огнеупорный РОВ подвергается адвекции и смешивается с глубоким морем. РОВ и агрегаты, экспортируемые в глубокие воды, потребляются и вдыхаются, таким образом возвращая органический углерод в огромный глубоководный резервуар DIC. Около 1% частиц, покидающих поверхность океана, достигают морского дна и потребляются, вдыхаются или захоронены в отложениях. Там углерод хранится миллионы лет. Конечный эффект этих процессов заключается в удалении углерода в органической форме с поверхности и его возвращении в DIC на больших глубинах, поддерживая градиент DIC от поверхности к глубине океана (вставка на графике внизу справа). Термохалинная циркуляция возвращает глубоководный DIC в атмосферу в тысячелетних масштабах.

Компоненты биологического насоса

Первичное производство

Первым шагом в биологическом насосе является синтез как органические, так и неорганические соединения углерода фитопланктоном в самых верхних, залитых солнцем слоях океана. Органические соединения в виде сахаров, углеводов, липидов и белков синтезируются в процессе фотосинтеза :

CO2+ H 2 O + свет → CH 2 O + O 2

Помимо углерода, органическое вещество фитопланктона состоит из азота, фосфора и различных следов металлов. Отношение углерода к азоту и фосфору мало меняется и имеет среднее отношение 106C: 16N: 1P, известное как отношение Редфилда. Следы металлов, таких как магний, кадмий, железо, кальций, барий и медь, на порядки меньше распространены в органическом материале фитопланктона, но необходимы для определенных метаболических процессов и, следовательно, могут ограничивать количество питательных веществ в фотосинтезе из-за их меньшего содержания в толще воды.

На первичную продукцию океана приходится около половины фиксации углерода, осуществляемой на Земле. Приблизительно 50–60 мкг углерода фиксируется морским фитопланктоном каждый год, несмотря на то, что они составляют менее 1% от общей фотосинтетической биомассы на Земле. Большая часть этой фиксации углерода (~ 80%) осуществляется в открытом океане, в то время как остальное количество приходится на очень продуктивные апвеллинг районы океана. Несмотря на то, что эти продуктивные регионы производят в 2–3 раза больше связанного углерода на единицу площади, открытый океан составляет более 90% площади океана и, следовательно, вносит больший вклад.

Карбонат кальция

Белые скалы Dover

Углерод также биологически фиксируется в форме карбоната кальция (CaCO 3), используемого в качестве защитного покрытия для многих видов планктона (кокколитофориды, фораминиферы), а также более крупных морских организмов (раковины моллюсков). Хотя эта форма углерода не берется напрямую из атмосферного бюджета, она образуется из растворенных форм карбоната, которые находятся в равновесии с CO 2 и затем отвечают за удаление этого углерода посредством связывания.

CO2+ H 2 O → H 2CO3→ H + HCO 3

Ca + 2HCO 3 → CaCO 3 + CO 2 + H 2O

Хотя с помощью этого процесса удается зафиксировать большое количество углерода, две единицы щелочности секвестрируются на каждую единицу секвестрированного углерода, тем самым снижая pH поверхностной воды и повышая уровень CO в атмосфере.. Образование и опускание CaCO 3 приводит поверхность к глубокому градиенту щелочности, который служит для повышения парциального давления растворенного CO 2 в поверхностные воды и фактически поднимают уровень в атмосфере. Кроме того, связывание CaCO 3 служит для снижения общей щелочности океана и снова повышения уровня в атмосфере. Часть углерода, которая попадает на морское дно, становится частью геологической летописи, и в случае карбоната кальция может образовывать большие отложения и всплывать на поверхность в результате тектонического движения, как в случае с Белыми скалами Дувра в Южной Англии. Эти скалы почти полностью состоят из пластин погребенных кокколитофорид.

океанического углеродного цикла

океанического углеродного цикла - МГЭИК

Три основных процесса (или насоса), составляющих морской углеродный цикл, приносят в атмосферу углекислый газ (CO 2) в глубь океана и распространяет его через океаны. Этими тремя насосами являются: (1) насос растворимости, (2) насос для карбоната и (3) биологический насос. Общий активный запас углерода на поверхности Земли в течение периода менее 10 000 лет составляет примерно 40 000 гигатонн C (Гт C, гигатонна составляет один миллиард тонн или вес приблизительно 6 миллионов синих китов ), и около 95% (~ 38 000 Гт C) хранится в океане, в основном в виде растворенного неорганического углерода. Состав растворенного неорганического углерода в морском углеродном цикле является основным регулятором кислотно-щелочной химии в океанах.

Обмен CO между воздухом и морем 2

Процессы откачки

Процессы в биологическом насосе Потоки углерода в белых квадратах указаны в Гт C год-1, а массы углерода в темных прямоугольниках указаны в Гт C

DIC, DOC, POC И PIC

На диаграмме справа фитопланктон преобразует CO 2, который растворился из атмосферы в поверхностных слоях океана (90 Гт в год), в органический углерод в виде твердых частиц (POC) во время первичной добычи (~ 50 Гт C год-1). Затем фитопланктон потребляется копеподами, крилем и другими мелкими травоядными зоопланктона, которые, в свою очередь, становятся жертвами более высоких трофических уровней. Любой неизрасходованный фитопланктон образует агрегаты, и вместе с фекальными гранулами зоопланктона быстро оседает и выводится из смешанного слоя (< 12 Gt C yr−1 14). Krill, copepods, zooplankton and microbes intercept phytoplankton in the surface ocean and sinking detrital particles at depth, consuming and respiring this POC to CO2(растворенного неорганического углерода, DIC), так что только небольшая часть углерода, образующегося на поверхности опускается в глубокий океан (т.е. на глубины>1000 м). В качестве корма для криля и более мелкого зоопланктона они также физически фрагментируют частицы на более мелкие, медленные или не тонущие части (из-за неаккуратного кормления, если фекалии фрагментируются), что замедляет экспорт ВОУ. Это высвобождает растворенный органический углерод (DOC) либо непосредственно из клеток, либо косвенно через бактериальную солюбилизацию (желтый кружок вокруг DOC). Бактерии затем могут реминерализовать DOC в DIC (CO 2, микробное садоводство).

Вертикальные миграции

Диэль вертикально мигрирующий криль, мелкий зоопланктон и Рыба может активно переносить углерод на глубину, потребляя ВОС в поверхностном слое ночью и метаболизируя его в дневное время на мезопелагической глубине своего обитания. В зависимости от жизненного цикла вида, активный перенос может происходить и на сезонной основе.

Насос растворимости

Морской снег

Подавляющее большинство углерода, содержащегося в органических и неорганических биологических вещество образуется на поверхности моря и затем должно опускаться на дно океана. Скорость опускания одной клетки фитопланктона составляет около 1 м в сутки, а при средней глубине океана 4000 м, этим клеткам может потребоваться более десяти лет, чтобы достичь дна океана. Однако посредством таких процессов, как коагуляция и изгнание в фекальных гранулах хищников, эти клетки образуют агрегаты. Эти агрегаты, известные как морской снег, имеют скорость опускания на несколько порядков больше, чем отдельные ячейки, и завершают свой путь на глубину за считанные дни.

Из 50–60 пг. Ежегодно фиксируется углерод, примерно 10% покидает поверхностный смешанный слой океанов, а менее 0,5% в конечном итоге достигает морского дна. Большая часть остается в регенерированной продукции в эвфотической зоне, а значительная часть реминерализуется в среднеглубинных процессах во время опускания частиц. Часть углерода, которая покидает смешанный поверхностный слой океана, иногда считается «изолированной» и по существу удалена от контакта с атмосферой на многие столетия. Однако исследования также показывают, что в таких регионах, как Южный океан, большая часть этого углерода может быстро (в течение десятилетий) вернуться в контакт с атмосферой.

Липидный насос

Морской снег

Желейный насос

Гипотеза биолюминесцентного шунта

Биолюминесцентный шунт в биологическом углеродном насосе в океане

Светящиеся бактерии в симбиозах легких органов последовательно приобретаются хозяином (кальмары, рыбы) из морской воды в молодом возрасте, а затем регулярно выпускаются в океан.

На диаграмме справа, в зависимости от положения светового органа, светящиеся бактерии выделяются из их кишок в фекальные гранулы или прямо в морскую воду (шаг 1). Подвижные светящиеся бактерии колонизируют органическое вещество, опускаясь вдоль толщи воды. Биолюминесцентные бактерии, осеменяющие фекальные гранулы и частицы, влияют на уровень потребления зоопланктона. Такие визуальные маркеры увеличивают обнаружение («гипотеза приманки»), привлекательность и, наконец, хищничество на верхних трофических уровнях (этап 2). В мезопелагических зоопланктон и их хищники питаются тонущими светящимися частицами и фекальными гранулами, которые образуют либо агрегаты (переупаковка) с более высокой скоростью погружения, либо фрагментируют органическое вещество (из-за неаккуратного питания) с более медленными темпами погружения (шаг 3).

Фильтр-питатели также собирают опускающееся органическое вещество без особого визуального обнаружения и выделения светящегося вещества. Дильские (и сезонные) вертикальные мигранты, питающиеся светящейся пищей, метаболизируют и выделяют светящиеся фекальные гранулы с поверхности в мезопелагическую зону (этап 4). Это подразумевает распространение биолюминесцентных бактерий в больших пространственных масштабах для зоопланктона или даже некоторых рыб, активно плавающих на большие расстояния. Светящиеся бактерии, прикрепленные к частицам, опускаются на морское дно, и осадок может быть ресуспендирован океанографическими физическими условиями (этап 5) и поглощен эпибентосными организмами. Инструменты: (a) планктонная сеть, (b) рыболовная сеть, (c) пробоотборник воды Niskin, (d) батифотометр, (e) отстойники, (f) автономные подводные аппараты, (g) модуль фотоумножителя, (h) астрофизические оптические модули ANTARES и (i – j) дистанционно управляемые аппараты.

насос континентального шельфа

Роль микроорганизмов

Микробная петля

Вирусный шунт

Количественная оценка

Поскольку биологический насос играет важную роль в углероде Земли цикла, значительные усилия тратятся на количественную оценку его силы. Однако, поскольку они происходят в результате плохо ограниченных экологических взаимодействий, обычно на глубине, процессы, образующие биологический насос, трудно измерить. Распространенным методом является оценка первичной добычи за счет нитрата и аммония, поскольку эти питательные вещества имеют разные источники, связанные с реминерализацией тонущего материала. Из них можно вывести так называемый коэффициент f, который является показателем локальной силы биологического насоса. Применение результатов местных исследований в глобальном масштабе осложняется той ролью, которую циркуляция океана играет в различных океанских регионах.

У биологического насоса есть физико-химический аналог, известный как насос растворимости. Для обзора обоих насосов см. Raven Falkowski (1999).

Антропогенные изменения

Температурно-зависимый биологический насос Иллюстративный рисунок, показывающий влияние разных температур воды на экспорт органического углерода и реминерализация: когда температура ниже, чем в более теплой, улавливается больше углерода.

Недавно было определено, что концентрации кокколитофоридов в Северной Атлантике увеличились на порядок с 1960-х годов, и рост в поглощенном CO 2, а также температура были смоделированы как наиболее вероятная причина этого увеличения.

Изменения в землепользовании, горение из ископаемое топливо и производство цемента привели к увеличению концентрации CO 2 в атмосфере. В настоящее время считается, что около одной трети (приблизительно 2 Pg C y = 2 × 10 граммов углерода в год) антропогенных выбросов CO 2 попадает в океан. Однако считается, что биологический насос не играет существенной роли в чистом поглощении CO 2 океанами. Это связано с тем, что биологический насос в первую очередь ограничен доступностью света и питательных веществ, а не углеродом. Это контрастирует с ситуацией на суше, где повышенные концентрации CO 2 в атмосфере могут увеличить первичную продукцию, потому что наземные растения могут улучшить водопользование. эффективность (= уменьшение транспирации ), когда CO 2 легче получить. Однако в морском углеродном цикле все еще есть значительные неопределенности, и некоторые исследования показывают, что существует связь между повышенным уровнем CO 2 и морской первичной продукцией.

Оценочная вертикальная инвентаризация «сегодняшнего дня» (1990-е годы) антропогенный CO 2

.

потоки углерода в Арктике, вызванные сокращением морского льда и таянием вечной мерзлоты

Однако изменение климата может повлиять на биологический насос в будущем за счет потепления и расслоения поверхности океана. Считается, что это может уменьшить поступление питательных веществ в эвфотическую зону, уменьшая там первичную продукцию. Кроме того, изменения в экологическом успехе кальцифицирующих организмов, вызванные закислением океана, могут повлиять на биологический насос, изменяя силу насоса твердых тканей. Затем это может иметь «ударный» эффект на насос для мягких тканей, поскольку карбонат кальция действует на балласт тонущего органического материала. В 2019 году исследование показало, что при нынешних темпах подкисления морской воды мы можем увидеть антарктические фитопланктоны меньшего размера и менее эффективными для хранения углерода до конца века.

На диаграмме справа показаны некоторые возможные эффекты воздействия моря убыль льда и таяние вечной мерзлоты на потоках углерода в Арктике. На суше растения поглощают углерод, в то время как микроорганизмы в почве производят метан и вдыхают CO2. Озера являются чистыми источниками выбросов метана, а органический и неорганический углерод (растворенный и твердый) попадает в океан через пресноводные системы. В океане метан может выделяться из тающей подводной вечной мерзлоты, а CO2 поглощается из-за недостаточного насыщения водой CO2 по сравнению с атмосферой. Кроме того, с морским льдом тесно связаны множественные потоки. Текущие наилучшие оценки атмосферных потоков даны в Tg C год −1, если таковые имеются. Обратите внимание, что оценка выбросов для озер сделана для области к северу от ~ 50º с.ш., а не для более узкого определения арктической тундры для других наземных потоков. Если возможно, диапазоны неопределенности показаны в скобках. Стрелки не представляют размер каждого потока.

Необходимые исследования

Многодисциплинарные наблюдения все еще необходимы в глубоководной толще. для правильного понимания биологического насоса EOVs = Essential Ocean Variables

Для правильного понимания биологического насоса все еще необходимы многопрофильные наблюдения в глубокой толще воды :

  • Физика: стратификация влияет на опускание частиц; понимание происхождения частиц и времени пребывания DIC в результате реминерализации частиц в глубинах океана требует измерения адвекции и перемешивания.
  • Биогеохимия: экспорт / смешивание твердых частиц и растворенного органического вещества из поверхностного слоя определяет лабильное органическое вещество, поступающее на морское дно, которое либо вдыхается биотой морского дна, либо сохраняется в течение длительного времени в отложениях.
  • Биология и экосистемы: зоопланктон и микроорганизмы разрушаются и реминерализуют тонущие частицы в толще воды. Экспортируемые органические вещества питают всю толщу воды и бентосную биоту (зоопланктон, донные беспозвоночные, микробы), поддерживая их биомассу, плотность и биоразнообразие.

См. Также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-12 06:49:50
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте