Hiểu cách 'tuyết biển' hoạt động như một bể chứa carbon

Tìm hiểu về cách “tuyết biển” hoạt động như một bể chứa carbon

Ở một số vùng sâu thẳm của đại dương, cảnh tượng có thể trông giống như đang có tuyết rơi. “Tuyết biển” này là bụi và mảnh vụn do các sinh vật thải ra khi chúng chết và phân hủy. Tuyết biển có thể rơi hàng km xuống những vùng sâu nhất của đại dương, nơi các hạt này bị chôn vùi dưới đáy biển trong hàng thiên niên kỷ.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT và cộng tác viên của họ đã phát hiện ra rằng khi tuyết biển rơi, những kẻ đi nhờ xe tí hon có thể hạn chế độ sâu mà các hạt có thể chìm xuống trước khi tan rã. Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng khi vi khuẩn đi nhờ xe trên các hạt tuyết biển, vi sinh vật có thể ăn mòn canxi cacbonat, một chất dằn thiết yếu giúp các hạt chìm xuống.

Những phát hiện này, xuất hiện trong tuần này trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, có thể giải thích cách canxi cacbonat hòa tan ở các lớp nông của đại dương, nơi các nhà khoa học đã cho rằng nó phải còn nguyên vẹn. Kết quả cũng có thể thay đổi sự hiểu biết của các nhà khoa học về tốc độ đại dương có thể cô lập carbon từ khí quyển.

Tuyết biển là phương tiện chính mà đại dương lưu trữ carbon. Ở bề mặt đại dương, thực vật phù du hấp thụ carbon dioxide từ khí quyển và chuyển đổi khí này thành các dạng carbon khác, bao gồm cả canxi cacbonat - chất tương tự được tìm thấy trong vỏ và san hô. Khi chúng chết, các mảnh thực vật phù du trôi xuống đại dương dưới dạng tuyết biển, mang theo carbon. Nếu các hạt đến được vùng biển sâu, carbon mà chúng mang theo có thể bị chôn vùi và khóa lại trong hàng trăm đến hàng nghìn năm.

Nhưng nghiên cứu mới cho thấy vi khuẩn có thể đang chống lại khả năng cô lập carbon của đại dương. Bằng cách ăn mòn canxi cacbonat của các hạt, vi khuẩn có thể làm chậm đáng kể tốc độ chìm của tuyết biển. Chúng càng lưu lại lâu, các hạt càng có nhiều khả năng bị hô hấp nhanh chóng, giải phóng carbon dioxide vào vùng biển nông và có thể quay trở lại khí quyển.

“Những gì chúng tôi đã chứng minh là carbon có thể không chìm sâu hoặc nhanh như người ta mong đợi,” đồng tác giả nghiên cứu Andrew Babbin, phó giáo sư tại Khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh và giám đốc dự án tại Dự án Khí hậu tại MIT, cho biết. "Khi nhân loại cố gắng thiết kế để thoát khỏi vấn đề có quá nhiều CO2 trong khí quyển, chúng ta phải tính đến các cơ chế và phản hồi vi sinh vật tự nhiên này."

Tác giả chính của nghiên cứu là Benedict Borer, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại MIT, hiện là trợ lý giáo sư về khoa học biển và ven biển tại Trường Khoa học Môi trường và Sinh học Rutgers; các đồng tác giả bao gồm Adam Subhas và Matthew Hayden tại Viện Hải dương học Woods Hole và Ryan Woosley, nhà khoa học nghiên cứu chính tại Trung tâm Khoa học và Chiến lược Bền vững của MIT.

Giảm cân

Tuyết biển hoạt động như "máy bơm sinh học" chính của đại dương, quá trình mà đại dương kéo carbon từ bề mặt xuống vùng biển sâu. Các nhà khoa học ước tính rằng tuyết biển chịu trách nhiệm kéo xuống hàng tỷ tấn carbon mỗi năm. Khả năng chìm của tuyết biển chủ yếu đến từ các khoáng chất như canxi cacbonat được nhúng trong các hạt. Khoáng chất là chất dằn đặc giúp các hạt nặng hơn. Các hạt càng có nhiều canxi cacbonat thì chúng càng chìm nhanh hơn.

Các nhà khoa học đã cho rằng dựa trên nhiệt động lực học, canxi cacbonat không nên hòa tan trong các lớp trên của đại dương, do nhiệt độ và điều kiện pH chung ở bề mặt đại dương. Bất kỳ canxi cacbonat nào liên kết trong tuyết biển sau đó sẽ chìm an toàn đến độ sâu lớn hơn 1.000 mét mà không bị hòa tan trên đường đi.

Nhưng các nhà hải dương học từ lâu đã quan sát thấy các dấu hiệu của canxi cacbonat hòa tan ở các lớp trên của đại dương, cho thấy rằng một thứ gì đó khác với các điều kiện vĩ mô của đại dương đang hòa tan khoáng chất và làm chậm máy bơm sinh học của đại dương.

Và trên thực tế, nhóm MIT đã phát hiện ra rằng thứ đang hòa tan canxi cacbonat ở vùng nước nông là một quá trình vi mô xảy ra trong môi trường xung quanh của một hạt riêng lẻ.

Borer nói: “Hầu hết các nhà hải dương học nghĩ về quy mô vĩ mô và trong trường hợp này, những gì đang xảy ra trong các hạt vi mô thực sự là những gì đang kiểm soát hóa học nước biển số lượng lớn. “Hậu quả tràn lan đối với khả năng cô lập carbon dioxide của đại dương.”

Một điểm ngọt chìm

Trong nghiên cứu mới của mình, các nhà nghiên cứu đã thiết lập một thí nghiệm để mô phỏng một hạt tuyết biển đang chìm và các tương tác của nó ở quy mô vi mô. Nhóm đã tổng hợp các hạt tương tự như tuyết biển mà họ tạo ra từ các nồng độ canxi cacbonat và vi khuẩn khác nhau - các sinh vật thường được tìm thấy đang ăn các hạt trong đại dương.

Babbin nói: “Đại dương là một môi trường khá loãng so với chất hữu cơ. “Vì vậy, các sinh vật như vi khuẩn phải tìm kiếm thức ăn. Và các hạt tuyết biển giống như bánh cheeseburger đối với vi khuẩn.”

Nhóm đã thiết kế một chip vi lỏng nhỏ để chứa các hạt và cho nước biển chảy qua chip với các tốc độ khác nhau để mô phỏng các tốc độ chìm khác nhau trong đại dương.