微小生物的“碳封存”潛力巨大！海洋糞便或助力應(yīng)對(duì)氣候變化

全球氣候變化帶來(lái)的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，而海洋在應(yīng)對(duì)氣候變化中的潛力尚未得到充分利用。海洋是全球最大的碳匯之一，每年吸收并儲(chǔ)存數(shù)十億噸大氣中的二氧化碳。藻類通過(guò)光合作用吸收二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳。然而，當(dāng)藻類死亡后，這些有機(jī)碳顆粒通常被海洋細(xì)菌迅速分解，釋放出二氧化碳返回大氣。這一過(guò)程導(dǎo)致原本被吸收的碳無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效儲(chǔ)存，對(duì)減緩氣候變化的貢獻(xiàn)大打折扣。這種“再釋放”現(xiàn)象，也凸顯了海洋碳循環(huán)效率的不足，也暴露出當(dāng)前應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵瓶頸：如何提高碳從海洋表層向深層沉降的效率，避免其重新返回大氣？

大海中的一頭鯨鯊。?攝影：王敏幹（John MK Wong） | 綠會(huì)融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

“海洋與濕地”小編注意到，2024年12月10日，由美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院牽頭的研究團(tuán)隊(duì)在期刊《科學(xué)報(bào)告》上發(fā)表了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究。研究揭示了一種利用微小海洋生物浮游動(dòng)物（zooplankton）及其糞便，將二氧化碳封存至深海的新方法。這一創(chuàng)新或?qū)閼?yīng)對(duì)全球氣候變化提供強(qiáng)有力的支持。

通過(guò)將碳轉(zhuǎn)化為動(dòng)物可以食用、消化的食物，并以富含碳的糞便的形式送入海洋深處，從而引來(lái)數(shù)萬(wàn)億種被稱為浮游動(dòng)物的微小海洋生物來(lái)對(duì)抗氣候變化。根據(jù)《自然科學(xué)報(bào)告》（Nature Scientific Reports）上的這項(xiàng)研究，這項(xiàng)技術(shù)利用了動(dòng)物貪婪的食欲，從本質(zhì)上加速了海洋從大氣中去除碳的自然循環(huán)，這個(gè)過(guò)程被稱為生物泵（biological pump）。

它從藻類開(kāi)花結(jié)束時(shí)在海洋表面噴灑粘塵（clay dust）開(kāi)始。這些花可以覆蓋數(shù)百平方英里，每年從大氣中移除約1500億噸二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)的碳顆粒。但是一旦這些花枯萎了，海洋細(xì)菌就會(huì)吞噬這些顆粒物，將大部分捕獲的碳釋放回大氣中。

研究人員發(fā)現(xiàn)在碳顆粒重新進(jìn)入大氣之前，粘塵是附著在碳顆粒上的，將它們重新定向到海洋食物鏈中，作為浮游動(dòng)物消耗的微小粘性顆粒，之后在淺一點(diǎn)的地方排泄。

這個(gè)研究的作者兼地球科學(xué)教授Mukul Sharma說(shuō)：“通常，在地表只有一小部分碳會(huì)進(jìn)入深海進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存?！?/p>

Sharma還于12月10日在華盛頓舉行的美國(guó)地球物理聯(lián)盟年會(huì)（American Geophysical Union annual conference)上介紹了這些發(fā)現(xiàn)。他說(shuō)：“這個(gè)方法的新穎之處在于用粘土使生物泵更有效率—浮游動(dòng)物產(chǎn)生粘土的排泄物，下沉的更快?！彼?020年因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目獲得了Guggenheim獎(jiǎng)。

“這種顆粒是這些小家伙們用來(lái)吃的東西。我們的實(shí)驗(yàn)表明，它們無(wú)法分辨粘土和浮游植物還是只有浮游植物—它們只是吃這些，”他說(shuō)?！爱?dāng)它們把顆粒物排泄出來(lái)時(shí)，它們?cè)诘乇硪韵聰?shù)百米，碳也是?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)對(duì)2023年藻華（algae blooms）爆發(fā)期間，從緬因州灣收集的水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘土附著在花死亡時(shí)釋放的有機(jī)碳上時(shí)，它會(huì)促使海洋細(xì)菌產(chǎn)生一種膠水，導(dǎo)致粘土和有機(jī)碳形成稱為絮體（flocs）的小球。

通過(guò)噴灑大陸礦物粉塵增強(qiáng)生物碳泵的原理與機(jī)制。傳統(tǒng)生物碳泵依賴浮游植物光合作用生成的顆粒有機(jī)物下沉，將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)移至深海。然而，大部分有機(jī)碳在下沉過(guò)程中被分解重新釋放到大氣中，導(dǎo)致儲(chǔ)存效率較低。實(shí)驗(yàn)表明，噴灑礦物粉塵能夠促進(jìn)有機(jī)碳與黏土形成絮凝體，加速顆粒沉降，并通過(guò)浮游動(dòng)物的糞粒沉降和垂直遷移進(jìn)一步提升碳封存深度。這一方法有望顯著增強(qiáng)碳從大氣到海洋沉積物的轉(zhuǎn)移效率，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供新途徑。（DikshaSharma等人）研究人員報(bào)告說(shuō)，這些絮體（flocs）成為了浮游動(dòng)物每天吃的各種顆粒物的一部分。一旦消化，嵌入動(dòng)物糞便中的絮體就會(huì)下沉，有可能將碳埋在可以儲(chǔ)存數(shù)千年的深度。研究發(fā)現(xiàn)，未食用的粘土-碳球也會(huì)下沉，隨著更多的有機(jī)碳以及死亡和垂死的浮游植物在下降的途中粘附在它們上，其尺寸會(huì)增加。

在這個(gè)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中，粘塵在浮游植物死亡之前捕獲了高達(dá)50%的碳。他們還發(fā)現(xiàn)，添加粘土?xí)褂姓承缘挠袡C(jī)顆粒的濃度增加10倍——這些顆粒在下沉?xí)r會(huì)收集更多的碳。與此同時(shí)，研究人員報(bào)告說(shuō)，在經(jīng)過(guò)粘土處理的海水中，使得碳釋放回大氣中的細(xì)菌數(shù)量急劇下降。

Sharma說(shuō)，在海洋中，絮體成為被稱為海洋雪（marine snow）的生物泵的重要組成部分。“海洋雪”是尸體、礦物和其他有機(jī)物組成的不斷從地表落下的陣雨，將食物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到深海。

Sharma說(shuō)，我們正在創(chuàng)造海洋雪，通過(guò)專門附著在粘土礦物的混合物上，可以用更快的速度埋藏碳。

浮游動(dòng)物以它們貪婪的食欲和令人難以置信的日常逗留加速了這一過(guò)程，被稱為晝夜垂直遷徙（diel vertical migration）。在黑暗的掩護(hù)下，這些動(dòng)物——每只長(zhǎng)約百分之三英寸——在一個(gè)巨大的運(yùn)動(dòng)中從深處升起數(shù)百甚至數(shù)千英尺，在地表附近富含營(yíng)養(yǎng)的水中覓食。規(guī)模類似于整個(gè)小鎮(zhèn)每晚步行數(shù)百英里去他們最喜歡的餐廳。

當(dāng)天亮的時(shí)候，動(dòng)物們會(huì)回到更深的水中，里面有絮體，它們作為糞便沉積在那里。這種被稱為主動(dòng)運(yùn)輸?shù)目焖龠^(guò)程是海洋生物泵的另一個(gè)關(guān)鍵方面，它縮短了碳通過(guò)下沉到達(dá)更深的深度所需的時(shí)間。

今年早些時(shí)候，研究合著者M(jìn)anasi Desai介紹了與Sharma和緬因州比格洛海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究科學(xué)家兼浮游動(dòng)物生態(tài)學(xué)家David Fields一起進(jìn)行的一個(gè)項(xiàng)目，表明浮游動(dòng)物食用和排出的粘土絮確實(shí)下沉得更快。Desai是Sharma實(shí)驗(yàn)室的前技術(shù)人員，現(xiàn)在是Fields實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員。

Sharma計(jì)劃，使用農(nóng)作物除塵飛機(jī)在南加州海岸的浮游植物上噴灑粘土來(lái)實(shí)地測(cè)試該方法。他希望放置在近海不同深度的傳感器將捕捉到不同物種的浮游動(dòng)物如何消耗粘土-碳絮狀物，以便研究團(tuán)隊(duì)能夠更好地衡量部署這種方法的最佳時(shí)機(jī)和地點(diǎn)——以及它限制在深海中的確切碳量。

“找到合適的海洋環(huán)境來(lái)做這項(xiàng)工作非常重要。你不能只是到處亂扔粘土，”Sharma說(shuō)?！拔覀冃枰攘私獠煌疃鹊男?，這樣我們才能在啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程之前了解啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程的最佳地點(diǎn)。我們還沒(méi)到那里——我們才剛剛開(kāi)始。”

資訊源 | Sciencedaily, Dartmouth編譯 | Tammy Xu編輯 | Linda Wong排版 | 綠葉參考資料略