De zee is de meest formidabele opslagmachine voor koolstofdioxide op aarde, maar er zijn nog steeds veel mysteries over de in elkaar grijpende processen van die opslag en de talloze organismen die erbij betrokken zijn.

Nutsvoorzieningen, dankzij een reeks artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Grenzen in de mariene wetenschappen , onderzoekers van de Florida State University streven naar een beter begrip van de koolstofopslag in de oceaan, zijn samenstellende biologische spelers en de factoren die de efficiëntie ervan zouden kunnen beperken.

In drie onderzoeken naar de biologische koolstofpomp - het proces waarbij koolstofdioxide geproduceerd door fotosynthetische algen in de oppervlakte van de oceaan wordt overgebracht naar de zeebodem en millennia lang wordt opgeslagen - ontdekten universitair hoofddocent oceanografie Mike Stukel en zijn medewerkers dat microscopisch zoöplankton cruciaal is, vaak ondergewaardeerde en soms tegenstrijdige rollen in het transport en de opslag van koolstof.

"Deze organismen dragen bij aan de biologische koolstofpomp door koolstofrijke fecale pellets te creëren die snel in de oceaan zinken, "Zei Stukel. "Echter, sommige zoöplankton voeden zich ook met zinkende deeltjes, waardoor de efficiëntie van de biologische koolstofpomp afneemt."

Ongeveer 5-12 metrische gigaton koolstof wordt jaarlijks getransporteerd door de biologische koolstofpomp - een volume dat vergelijkbaar is met de hoeveelheid koolstofdioxide die jaarlijks door de mens wordt geproduceerd door het verbranden van fossiele brandstoffen.

Echter, hordes hongerig zoöplankton honderden meters onder het oppervlak consumeren vaak koolstofrijke deeltjes die naar de oceaanbodem zinken, dat transportproces te onderbreken.

"Dit voorkomt dat de koolstof op diepere diepte wordt vastgelegd en zorgt ervoor dat het eerder terug in de atmosfeer komt, ' zei Stukel.

De meeste studies naar de rol van zoöplankton in wereldwijde biogeochemische cycli, Stukel zei, hebben zich voornamelijk gericht op krill en soortgelijke veelvoorkomende groepen, met de veronderstelling dat hun gedrag representatief is voor al het zoöplankton in de oceaan. Maar zijn studie toont de verscheidenheid aan manieren waarop deze kleine organismen kunnen veranderen, en soms belemmeren, de biologische koolstofpomp.

In een onderzoek naar twee specifieke soorten zoöplankton, phaeodarians en pteropoden, Stukel en zijn team ontdekten dat deze groepen zinkende deeltjesvoedende organismen het koolstoftransport net zo goed kunnen beïnvloeden als meer overvloedige suspensie-feeder zoöplankton zoals krill, die eten van drijvend organisch materiaal dichter bij het oceaanoppervlak.

"Sommige soorten hebben heel verschillende kenmerken waardoor ze een buitensporig belang hebben in de mariene biogeochemie, " hij zei.

De regelmatige verticale migratie van zoöplankton van oppervlakte naar diepere wateren is essentieel voor het transport en de veilige opslag van koolstof in de oceaan. Stukel en FSU-afgestudeerde student Thomas Kelly ontdekten dat deze onvermoeibare reizigers verantwoordelijk zijn voor veel meer koolstoftransport dan eerdere schattingen zouden suggereren.

Met behulp van een geavanceerde, geïntegreerd ecosysteemmodel, Stukel en Kelly evalueerden de productiesnelheden van algen aan de oppervlakte, schattingen van biomassa en behoeften aan prooidieren en zoöplankton. Hun model toonde aan dat de metabolische eisen van organismen honderden meters onder het oppervlak meer door migrerende geleverde koolstof vereisten dan verwacht.

Het resultaat:aanzienlijk koolstoftransport van verticaal migrerend zoöplankton was ecologisch belangrijker dan verwacht.

"De meeste eerdere schattingen van migratiegerelateerde koolstofflux hebben gesuggereerd dat migratie slechts verantwoordelijk is voor 5 tot 20 procent van de neerwaartse flux, "Zei Stukel. "Echter, onze studie suggereert dat eerdere resultaten het ware belang van migratie mogelijk hebben onderschat, en dat het in feite kan bijdragen aan bijna de helft van de totale stroom in productieve kustgebieden."

Onderzoekers hebben een arsenaal aan strategieën om de koolstofrijke deeltjesflux in de biologische koolstofpomp te beoordelen. Sommigen van hen, zoals drijvende sedimentvallen, veel tijd nodig hebben aan boord van onderzoeksschepen, een uitgave die vaak onbetaalbaar kan zijn.

Een andere methode, optische beeldvorming genoemd, stelt wetenschappers in staat gedetailleerde foto's van deeltjes te maken met onderwatercamera's en profielen van de deeltjesgrootte te gebruiken om nieuw begrip te krijgen van hun beweging door de waterkolom.

"In principe, theorie vertelt ons dat er relaties moeten zijn tussen deeltjesgrootte en zowel zinksnelheid als koolstofgehalte, "Zei Stukel. "Als we de grootte en overvloed van deeltjes kunnen meten - en als deze theoretische relaties stand houden - kunnen we de deeltjesflux schatten door foto's te maken van deeltjes in de oceaan."

Stukel en FSU-afgestudeerde student Christian Fender hebben de meer kosteneffectieve optische beeldvormingsmethode op de proef gesteld. Ze ontdekten dat conventionele algoritmen voor het meten van deeltjesflux uit beeldprofielen bijzonder slecht presteerden in het California Current Ecosystem. Het primaire probleem, Stukel zei, was het falen van de algoritmen om voldoende rekening te houden met zwaardere, snel zinkende fecale korrels van zoöplankton, die een belangrijk onderdeel vormen van de totale deeltjesflux in de regio.

In reactie op deze bevinding, het team ontwikkelde een algoritme dat is ontworpen om de flux te schatten op basis van de deeltjesgrootte onder de specifieke omstandigheden van het California Current Ecosystem. Deze speciaal op maat gemaakte parameters, die het belang van de fecale pellets van zoöplankton naar voren bracht, beduidend beter presteerden dan de standaardalgoritmen.

De studie toonde aan dat, om het beste te profiteren van meer betaalbare optische beeldvormingsstrategieën, onderzoekers moeten goed letten op de specifieke omgevingen en deeltjes die ze onderzoeken.

"Onze resultaten laten zien dat camera's niet alleen de grootte van het deeltje moeten kwantificeren, maar ook classificeren wat voor soort deeltje het is, ' zei Stukel.

De drie onderzoeken van Stukel en zijn team onthullen nieuwe inzichten in de microschaalmechanica van een van 's werelds belangrijkste koolstoftransportprocessen. Naast het benadrukken van het poortwachtende zoöplankton dat vaak de vastlegging van zeer koolzuurhoudende deeltjes stopt en de historisch ondergewaardeerde rol van plankton-migranten in de biologische koolstofpomp, het onderzoek doet ook belangrijke suggesties over hoe de koolstofflux in variabele oceaanomgevingen over de hele wereld beter kan worden geëvalueerd.

Stukel zei dat de beste manier om een ​​beter begrip van de biologische koolstofpomp te krijgen, is om een ​​diepere waardering te ontwikkelen voor de arsenaal aan plankton die hem aan het pompen houdt.

"Gezien hun diverse rollen in de biologische koolstofpomp, het is belangrijk voor wetenschappers om niet alleen te kijken hoeveel zoöplankton er in een bepaalde regio is, but also to focus on the diversity and functional roles of these groups, " hij zei.