Дебаты сосредоточены на том, как азот — один из важнейших источников пищи для жизни океана и регулятор атмосферного углекислого газа — превращается в форму, которая может покинуть океан и вернуться в атмосферу, где он повторно используется в глобальном азоте. цикл.Исследователи спорили о том, какой из двух механизмов удаления азота, денитрификация и анаммокс, является наиболее важным в океанах. Вопрос не только в научном любопытстве, но и в реальном мире, потому что один механизм вносит в атмосферу больше парниковых газов, чем другой.«Азот контролирует большую часть продуктивности океана», — сказал Эндрю Бэббин, первый автор исследования и аспирант, который работает с Бесс Уорд, профессором наук о Земле Уильяма Дж.
Синклера из Принстона. «Понимание круговорота азота имеет решающее значение для понимания продуктивности Мирового океана, а также глобального климата», — сказал он.В новом исследовании исследователи обнаружили, что обе эти «стратегии выхода» азота работают в океанах: денитрификация уничтожает около 70 процентов азота, а остальное утилизирует анаммокс.
Исследователи также обнаружили, что это соотношение 70-30 может измениться в ответ на изменения количества и качества азота, который необходимо удалить. Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Science.Двумя другими членами исследовательской группы были Ричард Кейл и Аллан Девол, оба профессора Школы океанографии Вашингтонского университета.
Азот, необходимый для жизни и климата Земли, является элементом, который циклически перемещается между почвой и атмосферой, а также между атмосферой и океаном. Бактерии у поверхности помогают переносить азот в пищевую цепь океана, преобразовывая или «фиксируя» атмосферный азот в формы, которые может использовать фитопланктон.
Без этого фиксированного азота фитопланктон не мог бы поглощать углекислый газ из воздуха, что помогает сдерживать повышение уровня углекислого газа в атмосфере сегодня. Когда эти крошечные морские водоросли умирают или поедаются хищниками, их биомасса опускается в глубь океана, где становится пищей для других типов бактерий.Еще около 20 лет назад большинство ученых считали, что денитрификация, осуществляемая некоторыми из этих бактерий, была основным способом рециркуляции фиксированного азота обратно в газообразный азот. Второй процесс, известный как анаэробное окисление аммиака или анаммокс, был обнаружен голландскими исследователями, изучающими, как удаляется азот на очистных сооружениях.
Оба процесса происходят в тех регионах океана, которые естественно бедны кислородом или бескислородны, из-за отсутствия местной циркуляции воды и высокой продуктивности фитопланктона над этими регионами. В Мировом океане такие регионы встречаются только в Аравийском море и у берегов Перу и Мексики.В этой бескислородной среде анаэробные бактерии питаются разлагающимся фитопланктоном и в процессе денитрификации нитратов превращаются в газообразный азот, который не может использоваться в качестве питательного вещества для большинства фитопланктона. Во время этого процесса также производится аммоний, хотя морским геохимикам никогда не удавалось обнаружить аммоний, который, как они знали, должен быть там.
Эта загадка была решена в начале 2000-х годов, когда была открыта реакция анаммокс в морской среде, при которой анаэробные бактерии питаются аммонием и превращают его в газообразный азот.Но вскоре появилась еще одна загадка: показатели анаммокса, которые голландские и немецкие группы исследователей измерили в океанах, по-видимому, объясняют всю потерю азота, не оставляя никакой роли для денитрификации.
Затем, в 2009 году, команда Уорда опубликовала в журнале Nature исследование, показывающее, что денитрификация по-прежнему играет важную роль в возвращении азота в воздух, по крайней мере, в Аравийском море. Газета еще больше разожгла полемику.Вернувшись в Принстон, Уорд подозревал, что необходимы оба процесса: при денитрификации образуется аммоний, который затем превращается в газообразный азот.Чтобы решить эту проблему, Уорд и Бэббин решили посмотреть, что именно происходило в бескислородной океанской воде, когда бактериям давали азот и другие питательные вещества для пережевывания.
Они собрали пробы воды в бескислородном регионе океана к югу от Нижней Калифорнии и принесли пробирки с водой в судовую лабораторию. Работая внутри прочного, гибкого «перчаточного мешка», чтобы воздух не загрязнял воду с низким содержанием кислорода, Бэббин добавил определенные количества и типы азота и органических соединений в каждую пробирку, а затем отметил, произошла ли денитрификация или анаммокс.«Мы провели серию экспериментов, в которые добавляли различные типы органических веществ с переменным содержанием аммония, чтобы увидеть, изменится ли соотношение между денитрификацией и анаммоксом», — сказал Бэббин. «Мы обнаружили, что не только увеличение аммиака благоприятствует анаммоксу, как было предсказано, но и что точные пропорции потери азота совпадают в точности с предсказаниями, основанными на содержании аммония».
Объяснение того, почему в прошлых экспериментах одни исследователи обнаружили в основном денитрификацию, в то время как другие обнаружили только анаммокс, сводится к своего рода циклу «цветения и спада» жизни фитопланктона, объяснил Уорд.«Если у вас будет большое цветение планктона, то, когда эти организмы погибнут, большое количество органического вещества утонет и разложится», — сказала она, — «но мы, ученые, не всегда готовы измерить это. Другими словами, если вы этого не сделаете. если там в день доставки обеда, вы не будете измерять эти процессы ».Исследователи также связали скорость потери азота с поставкой органического материала, который определяет скорость: чем больше органического материала, тем больше потеря азота, поэтому количество материала тоже имеет значение, сказал Баббин.
По его словам, эти два пути имеют разные метаболические процессы, которые играют важную роль в глобальном изменении климата. «Денитрификация производит двуокись углерода, а также производит и потребляет закись азота, которая является еще одним основным парниковым газом и агентом, разрушающим озоновый слой», — сказал он. «Anammox, однако, потребляет углекислый газ и не имеет известного побочного продукта закиси азота. Таким образом, баланс между ними оказывает значительное влияние на производство и потребление парниковых газов в океане».