Ученые утяжелили фекалии планктона минеральной пылью

Минеральная пыль, приносимая в океан с континентов, не только кормит фитопланктон, но и делает его фекалии более плотными, способствует образованию флоков — рыхлых органоминеральных агрегатов — и их быстрому осаждению в морской толще. Это усиливает биологический углеродный насос и позволяет надолго выводить часть углерода из атмосферы. К таким выводам пришли ученые, проведя лабораторный эксперимент по внесению глинистых минералов в морскую воду с фитопланктоном. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Морской фитопланктон поглощает атмосферный углекислый газ и образует органическое вещество посредством фотосинтеза. Этот процесс называют биологическим углеродным насосом (в англоязычной литературе — marine biological pump), и каждый год благодаря ему из атмосферы удаляется 80-146 миллиардов тонн CO₂ — это важнейший биогеохимический поток и одновременно регулятор климата. Однако выводиться из круговорота и сохраняться в морской толще углерод может в течение очень разного времени. Если он задержится вблизи поверхности в виде растворимого органического вещества, то быстро окислится и вернется в атмосферу. Если же он сможет опуститься на глубину около 1000 метров в составе агрегатов и встроиться в неорганическое вещество, то может пробыть в таком состоянии до 400 лет.

Главную роль в образовании таких агрегатов и их осаждении в морской толще играют глинистые минералы. Они обладают заряженной, шероховатой и гидрофильной поверхностью, которая может поглощать вещества из морской воды по принципу катионного обмена, а далее удерживает их сцепленными или связывает их еще прочнее внутри межпакетного пространства своих кристаллических решеток. Глинистые минералы попадают в морскую воду из минеральной пыли (их там более 50 процентов), которую ветром приносит с континентов. Далее они предположительно соединяются с фекалиями фитопланктона и образуют клейкие гелеобразные агрегаты — прозрачные экзополимерные частицы (TEP). Впрочем, точный механизм включения минеральной пыли в агрегаты до сих пор не изучен.

Междисциплинарная группа исследователей под руководством Дикши Шармы (Diksha Sharma) из Дартмутского колледжа провела эксперимент, который позволил оценить влияние глинистых минералов на скорость осаждения углеродистых агрегатов в морской толще. Они отобрали пробы морской воды из залива Мэн в 2023 году в период весеннего цветения фитопланктона и вносили в них природную смесь глинистых минералов (в ее составе преобладали палыгорскит и нонтронит) в концентрациях 20 и 60 миллиграмм на литр, после чего инкубировали пробы в течение 72 часов.

Изначально содержание растворенных неорганических элементов питания в морской воде было низким, но в ходе инкубации концентрации растворенных кремния и фосфора выросли благодаря высвобождению из глинистых минералов. Это стимулировало рост фитопланктона и привело к образованию комплексных агрегатов — флоков — рыхлых скоплений слипшихся глинистых минералов, органических молекул, бактерий и частиц фитопланктона. С момента начала инкубации содержание экзополимерных частиц (схожих с флоками, но менее рыхлых и более устойчивых) в пробах воды выросло в 3500 раз.

Изначальная концентрация растворенного углерода в пробах составляла 3,02 ± 0,18 миллиграмма на литр, но при добавлении глины в низкой концентрации она сократилась на 15 процентов, в высокой концентрации — на 42 процента. Внесение глины увеличило и скорость осаждения агрегатов: с 40 ± 18 до 73 ± 28 метров в сутки при низкой концентрации глинистых минералов и до 141 ± 37 метров в сутки при высокой концентрации. Авторы отметили, что их эксперимент объяснил усиление биологического углеродного насоса с помощью минеральной пыли: оно заключается в переводе морского углерода из растворенного состояние в агрегированное.

Глинистые минералы играют важную роль не только в сорбции разных веществ в океане, но и в регуляции загрязнения почв. Например, они удерживают и не допускают попадания в грунтовые воды фармацевтических препаратов (но делают это хуже в присутствии осадка сточных вод), а еще прочно связывают галогенорганические соединения в многолетнемерзлых грунтах Тибетского нагорья.