Биологический насос (или океанический углеродный биологический насос или морской биологический углеродный насос) — это биологически обусловленное из атмосферы и сточных вод с суши во внутренние районы океана и в отложения морского дна. Биологический насос — это биологический компонент «морского углеродного насоса», который содержит как физический, так и биологический компонент. Это часть более широкого . Органическое вещество образуется фитопланктоном во время фотосинтеза (мягкотканевый насос), также происходит круговорот карбоната кальция (CaCO 3), образуемого в раковинах некоторыми организмами, такими как планктон и моллюски (карбонатный насос).
Расчёты размера биологического углеродного насоса основаны на соотношении между седиментацией (экспорт углерода на дно океана) и (выбросом углерода в атмосферу).
Насос играет важную роль в морской жизни, ежегодно перекачивает в недра океана около 10,2 гигатонн углерода, а в среднем за 127 лет — 1300 гигатонн углерода. Это исключает контакт углерода с атмосферой на несколько тысяч лет и более. Без биологического насоса уровень углекислого газа в атмосфере увеличился бы примерно на 400 ppm по сравнению с сегодняшним днем.
Обзор Элемент углерод играет центральную роль в климате и жизни на Земле. Углеродный цикл Земли включает в себя перемещение углерода между геосферой, криосферой, атмосферой, биосферой и гидросферой и тесно связан с круговоротами других элементов и соединений. Биологические, физические и гравитационные процессы закачивают органический углерод в глубокие воды моря.
Океан играет основополагающую роль в углеродном цикле Земли, помогая регулировать концентрацию углекислого газа (CO) в атмосфере. Биологический насос представляет собой набор процессов, которые переносят органический углерод с поверхности в глубины океана и лежит в основе . Биологический насос — процессы фиксации неорганического углерода в органическом веществе во время фотосинтеза, его трансформация в процессах пищевой цепи (трофодинамика), физическое перемешивание, транспорт и гравитационное осаждение на дно океана.
Биологический насос зависит от доли первичного , которое выживает в эвфотической зоне и попадает из поверхностных вод в глубь океана, где оно минерализуется до . Таким образом углерод переносится против градиента () с поверхности в глубины океана.
Процессы переноса углерода:
физическое смешивание и перенос растворённого и () организмов (зоопланктона, рыб) гравитационное осаждение дисперсного органического углерода ().
Можно выделить три отдельные фазы биологического насоса:
связывание углерода планктонными фототрофами в эвфотической (освещенной солнцем) поверхностной области океана. Фитопланктон использует углекислый газ (CO) , азот (N), фосфор (P) и другие микроэлементы (барий, железо, цинк и т. д.) в процессе фотосинтеза для производства углеводов, липидов и белков. Некоторые планктонные организмы (например, кокколитофориды и фораминиферы) объединяют кальций (Ca) и растворённые карбонаты (угольную кислоту и бикарбонат), образуя защитное покрытие из карбоната кальция (CaCO 3)
попадание углерода в мягкие или твёрдые ткани организмов и его переработка в эвфотической зоны, либо, после смерти организмов, попадание на дно океана. Тонущие частицы, образуя агрегаты, увеличивающие скорость погружения, не разлагаются в толще воды и достигают морского дна связанный углерод разлагается бактериями либо по пути вниз, либо уже на морском дне, затем реминерализуется для повторного использования в первичном производстве. Другая часть углерода изолируется в осадке на миллионы лет, снижая уровень углекислого газа в атмосфере.
Фитопланктон фиксирует неорганические питательные вещества и углекислый газ () в процессе фотосинтеза и выделяет растворенные органические вещества (). Фитопланктон потребляется растительноядным зоопланктоном.
Более крупный зоопланктон, например, веслоногие рачки, выделяет фекальные гранулы, которые могут быть повторно проглочены и утонуть или агрегироваться. РОВ частично потребляется бактериями (чёрные точки; оставшийся устойчивый РОВ адвектируется и смешивается с глубоководными водами.
DOM и агрегаты, выносимые в глубокие воды, потребляются и выдыхаются, тем самым возвращая органический углерод в огромный глубоководный резервуар DIC.
Около 1 % частиц, покидающих поверхность океана, достигают морского дна и потребляются, вдыхаются или захораниваются в отложениях. Термохалинная циркуляция возвращает глубоководный океанический DIC в атмосферу в тысячелетних масштабах времени.
Первичное производство Первым шагом в биологическом насосе является синтез органических и неорганических соединений углерода фитопланктоном в самых верхних, освещённых солнцем слоях океана. В процессе фотосинтеза синтезируются органические соединения (углеводы, липиды и белки):
CO2 + H2O + свет → CH2O + O2
Органическое веществ фитопланктона состоит из углерода, азота, фосфора и различных следов металлов . Соотношение углерода к азоту и фосфору варьируется от места к месту, но имеет среднее соотношение около 106C:16N:1P () . Микроэлементы (магний, кадмий, железо, кальций, барий и медь) на порядок менее распространены в органическом материале фитопланктона, но необходимы для определённых метаболических процессов и, следовательно, могут быть ограничивающими питательными веществами в фотосинтезе из-за их меньшей распространенности в толще воды.
Первичная продукция океана обеспечивает около половины фиксации углерода на Земле. Ежегодно морской фитопланктон фиксирует около 50-60 углерода, несмотря на то, что на его долю приходится менее 1 % общей фотосинтетической биомассы Земли. ~80 % фиксации происходит в открытом океане,~20 % приходится на апвеллинг океана. Несмотря на то, что при апвеллинге фиксируется в 2-3 раза больше углерода на единицу площади, открытый океан занимает более 90 % площади океана и, поэтому, вносит больший вклад.
Формы углерода
Растворенный и твердый углерод Фитопланктон преобразует неорганические соединения в органические компоненты. Эта автотрофно произведенная биомасса представляет собой основу морской пищевой сети. В результате этих процессов доля растворённого органического углерода () быстро уменьшается с глубинойCarlson CA (2002) [books.google.com/books?id=D6TMKZOgldAC&q=%22Production+and+removal+processes%22&pg=PA91 «Production and removal processes»]. In: Hansell DA, Carlson CA (eds) Biogeochemistry of marine dissolved organic matter. Academic Press, San Diego, pages 91-151. ..
Океанические углеродные бассейны В океане есть четыре основных резервуара углерода:
(РНУ, ) является крупнейшим. Он составляет около 38 000 С (углерода) и включает растворенный углекислый газ (CO 2), бикарбонат, карбонат и угольную кислоту. Равновесие между угольной кислотой и карбонатом определяет pH (водородный показатель) морской воды. Углекислый газ легко растворяется в воде, и его растворимость обратно пропорциональна температуре. Растворенный CO2 поглощается в процессе фотосинтеза и может снизить парциальное давление CO2 в морской воде, способствуя его выведению из атмосферы. Обратный процесс дыхания, высвобождающий CO2 обратно в воду, может повысить парциальное давление CO2 в морской воде, способствуя его обратному выбросу в атмосферу. Образование карбоната кальция такими организмами, как кокколитофориды, приводит к выделению CO2 в воду растворенный органический углерод (РОУ, ) является следующим по величине, его содержание составляет около 662 С(углерода). Углерод можно классифицировать по его реакционной способности как тугоплавкий, полулабильный или лабильный. Лабильный пул составляет около 0,2 С, является биодоступным и имеет высокую скорость производства (~ 15−25 С в год). Рефрактерный компонент является самым большим пулом (~642 С ± 32; но имеет очень низкую скорость оборота (0,043 С в год). Считается, что время рефрактерного РОУ () превышает 1000 лет. (ЧОУ, ) составляют около 2,3 pg C, и относительно малы по сравнению с DIC и DOC. Несмотря на небольшие размеры, этот пул очень динамичен и имеет самую высокую скорость оборота среди всех пулов органического углерода на планете. За счет первичного производства он производит около 50 pg C в год во всём мире. Его можно разделить на живой (например, фитопланктон, зоопланктон, бактерии) и неживой (например, детрит) материал. Из них углерод фитопланктона особенно важен из-за его роли в первичной продукции морской среды, а также потому, что он служит источником пищи для всех более крупных организмов в пелагической экосистеме . (ЧНУ, ) являются наименьшими из пулов, их содержание составляет около 0,03 pg С. Они присутствуют в виде частиц карбоната кальция (CaCO 3) и влияют на карбонатную систему и pH морской воды. Оценки производства PIC находятся в диапазоне 0,8-1,4 pg C в год, при этом не менее 65 % его растворяется в верхнем слое воды, а остальная часть вносит вклад в глубокие отложения. Кокколитофориды и фораминиферы считаются основными источниками PIC в открытом океане. Бассейн PIC имеет особое значение из-за его роли в системе карбонатов океана и в содействии экспорту углерода в глубины океана через карбонатный насос, посредством которого PIC экспортируется из фотической зоны и откладывается в донных отложениях.
Карбонат кальция Частицы неорганического углерода (ЧНУ, ) обычно состоят из карбоната кальция (CaCO 3) и играют ключевую роль в круговороте углерода в океане. CaCO 3 используется в качестве защитного покрытия для многих планктонных видов (кокколитофорид, фораминифер), а также для более крупных морских организмов (раковин моллюсков). Карбонат кальция также выделяется с во время осморегуляции у рыб и может образовываться в случаях мальков. Хотя эта форма углерода не извлекается напрямую из атмосферы, она образуется из растворённых форм карбоната, которые находятся в равновесии с CO2 и затем отвечают за удаление этого углерода посредством секвестрации:
CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → H + + HCO 3 −
Са 2+ + 2HCO 3 − → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O
На каждую единицу зафиксированного углерода приходится две единицы щелочности.
Образование и погружение CaCO 3 создает градиент щелочности от поверхности к глубине, способствующий повышению pH поверхностных вод, изменяя распределение растворённого углерода и повышая парциальное давление растворенного CO 2 в поверхностных водах, что фактически повышает его уровень в атмосфере. Захоронение CaCO 3 в осадках приводит к снижению общей щелочности океана, что приводит к повышению pH и, следовательно, уровня CO 2 в атмосфере, если это не компенсируется новым притоком щелочности в результате выветривания. Углерод, навсегда захороненный на морском дне, становится частью геологической летописи. Карбонат кальция часто образует значительные отложения, которые затем могут быть подняты на сушу в результате тектонических движений, как в случае с Белыми скалами Дувра в Южной Англии. Эти скалы почти полностью состоят из пластин захороненных кокколитофорид.
Океанический углеродный цикл Три основных процесса (или насоса) переносят атмосферный углекислый газ (CO2) в недра океана и распределяют его по океанам:
насос растворимости насос карбоната биологический насос.
Общий активный пул углерода на поверхности Земли за период менее 10 000 лет составляет примерно 40 000 гигатонн углерода (Гт С, гигатонна равна одному миллиарду тонн или весу приблизительно 6 миллионов синих китов), и около 95 % (~38 000 Гт С) хранится в океане, в основном в виде . Образование растворённого неорганического углерода в морском углеродном цикле — основной регулятор кислотно-щелочного баланса в океанах.
Насос растворимости переносит значительные объёмы углерода в форме (РНУ, ) с поверхности океана в его недра. Он включает в себя только физические и химические процессы и не включает в себя биологические процессы.
Насос растворимости состоит из двух процессов в океане:
Растворимость углекислого газа (находится в сильной обратной зависимости от температуры морской воды, то есть растворимость выше в более холодной воде).