Группа ученых из Института морской микробиологии им. Макса Планка, Института метеорологии им. Макса Планка и Центра океанологических исследований ГЕОМАР - Гельмгольца в Киле изучает биогеохимические процессы в зоне кислородного минимума восточной части южной части Тихого океана Перу, один из крупнейших низкокислородных регионов мирового океана. Исследователи сосредоточились на так называемых морских снежных частицах разных размеров, которые состоят из остатков водорослей и другого органического материала, стремясь понять, как эти частицы влияют на круговорот азота в зоне минимума кислорода. Таким образом, они решили давнюю загадку: как питательные вещества, сконцентрированные внутри частиц, достигают анаммокс-бактерий, свободно живущих во взвешенном состоянии в толще воды.
Слишком много хорошего может быть плохим
Зоны с минимумом кислорода - это области океана, где в воде мало или совсем не растворено кислорода. Поскольку большинству животных для дыхания необходим кислород, они не могут выжить в этих водоемах. Неудивительно, что зоны минимума кислорода также называют морскими мертвыми зонами. Зоны минимума кислорода являются естественным явлением, но было обнаружено, что они расширяются во многих регионах океана в результате деятельности человека. Глобальное потепление способствует снижению концентрации кислорода, поскольку теплая вода сохраняет меньше кислорода. Более теплая поверхностная вода также меньше смешивается с глубинной прохладной водой внизу, что приводит к застою и ухудшению вентиляции.
Изменения в круговороте азота также оказывают пагубное воздействие на концентрацию кислорода в океане. Азот является жизненно важным питательным веществом, которое необходимо животным и растениям для роста. Обычно редко встречающиеся в океане соединения азота, которые можно перерабатывать, становятся все более доступными во многих прибрежных районах. Люди используют большое количество удобрений с соединениями азота, такими как аммоний и нитраты, в сельском хозяйстве, и эти питательные вещества попадают в океан через реки и атмосферу во все возрастающих количествах.
Это имеет серьезные последствия. Дополнительные питательные вещества усиливают рост фитопланктона. Когда планктонные организмы умирают, они разлагаются бактериями. Во время этого процесса бактерии потребляют кислород, что приводит к снижению концентрации кислорода. Как только кислород полностью потребляется, вступают в действие анаэробные микробные процессы, во время которых микробы по существу «дышат» соединениями азота вместо кислорода и в результате превращают нитраты, нитриты и аммоний обратно в газообразный азот и выделяют его в атмосферу.
Какие факторы вызывают потерю азота?
В совокупности процессы анаэробного микробного дыхания анаммокса и денитрификации в зонах минимума кислорода приводят к потере до 40 процентов азота океанов. Однако регуляция микробных процессов потери азота в зонах кислородного минимума до сих пор мало изучена. Это исследование посвящено процессу анаммокс, то есть анаэробному окислению аммония нитритом. В своем проекте исследователи продолжили наблюдение, что процесс анаммокса особенно высок, когда особенно много органического материала в виде частиц морского снега. Их гипотеза заключалась в том, что органический материал, содержащий большое количество связанного азота, служит источником аммония для анаммокс-реакции. Как ни странно, анаммокс-бактерии живут не на самом морском снегу, а в толще воды. Так как же эти бактерии находят свои питательные вещества?
Чтобы разгадать эту загадку, ученые использовали подводные камеры для измерения содержания частиц в профилях глубины на разных станциях в зоне минимума кислорода у побережья Перу. «Мы заметили, что процесс анаммокса происходит в основном в местах, где много более мелких частиц», - говорит Кларисса Картхойзер, первый автор статьи, которой поделился с Соерен Ахмеркамп.«Это указывает на то, что более мелкие частицы более важны для процесса анаммокса, чем более крупные, при этом маленькие частицы означают, что они размером с волос и, следовательно, едва заметны».
Эти мелкие частицы очень многочисленны в толще воды и медленно тонут, поэтому дольше остаются в зоне кислородного минимума. Кроме того, органический материал более плотно упакован в более мелкие частицы, и в результате маленькие хлопья переносят то же количество материала на частицу, что и более крупные комки, а это означает, что в целом они переносят значительно больше азота. «Мы подсчитали, что концентрация аммония вокруг частиц значительно увеличилась», - говорит Соерен Ахмеркамп. «Это указывает на две вещи: во-первых, что большее количество и более длительное время пребывания более мелких частиц в толще воды увеличивает вероятность того, что бактерии случайно столкнутся с мелкой частицей. Во-вторых, высокие концентрации аммония в пограничном слое частицы. затем может обеспечить питание для бактерий."
Важные результаты для моделей системы Земли
Новые результаты имеют решающее значение для улучшения моделей системы Земля. «С помощью этого исследования мы решили важный аспект процесса анаммокса и, таким образом, внесли важный вклад в лучшее понимание баланса питательных веществ в океанах», - говорит Марсель Кайперс, глава отдела биогеохимии Института Макса Планка. Морская микробиология в Бремене. «Благодаря этому улучшенному пониманию процессов мы обеспечиваем связь между процессами, связанными с частицами, и циклами азота в зонах минимума кислорода, которые можно адаптировать в биогеохимических моделях системы Земли, чтобы лучше оценить влияние антропогенного обескислороживания на азотный цикл».