微小生物的“碳封存”潜力巨大！海洋粪便或助力应对气候变化

摘要：全球气候变化带来的挑战日益严峻，而海洋在应对气候变化中的潜力尚未得到充分利用。海洋是全球最大的碳汇之一，每年吸收并储存数十亿吨大气中的二氧化碳。藻类通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为有机碳。然而，当藻类死亡后，这些有机碳颗粒通常被海洋细菌迅速分解，释放出二

当前应对气候变化的关键瓶颈：如何提高碳从海洋表层向深层沉降的效率，避免其重新返回大气？

本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：
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译者：Tammy Xu（绿会国际部实习生）

本文共计2716字，阅读约6分钟

全球气候变化带来的挑战日益严峻，而海洋在应对气候变化中的潜力尚未得到充分利用。海洋是全球最大的碳汇之一，每年吸收并储存数十亿吨大气中的二氧化碳。藻类通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为有机碳。然而，当藻类死亡后，这些有机碳颗粒通常被海洋细菌迅速分解，释放出二氧化碳返回大气。这一过程导致原本被吸收的碳无法实现长效储存，对减缓气候变化的贡献大打折扣。这种“再释放”现象，也凸显了海洋碳循环效率的不足，也暴露出当前应对气候变化的关键瓶颈：如何提高碳从海洋表层向深层沉降的效率，避免其重新返回大气？

大海中的一头鲸鲨。©摄影：王敏幹（John MK Wong） | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

“海洋与湿地”小编注意到，2024年12月10日，由美国达特茅斯学院牵头的研究团队在期刊《科学报告》上发表了一项开创性研究。研究揭示了一种利用微小海洋生物浮游动物（zooplankton）及其粪便，将二氧化碳封存至深海的新方法。这一创新或将为应对全球气候变化提供强有力的支持。

通过将碳转化为动物可以食用、消化的食物，并以富含碳的粪便的形式送入海洋深处，从而引来数万亿种被称为浮游动物的微小海洋生物来对抗气候变化。根据《自然科学报告》（Nature Scientific Reports）上的这项研究，这项技术利用了动物贪婪的食欲，从本质上加速了海洋从大气中去除碳的自然循环，这个过程被称为生物泵（biological pump）。

它从藻类开花结束时在海洋表面喷洒粘尘（clay dust）开始。这些花可以覆盖数百平方英里，每年从大气中移除约1500亿吨二氧化碳，将其转化为有机的碳颗粒。但是一旦这些花枯萎了，海洋细菌就会吞噬这些颗粒物，将大部分捕获的碳释放回大气中。

研究人员发现在碳颗粒重新进入大气之前，粘尘是附着在碳颗粒上的，将它们重新定向到海洋食物链中，作为浮游动物消耗的微小粘性颗粒，之后在浅一点的地方排泄。

这个研究的作者兼地球科学教授Mukul Sharma说：“通常，在地表只有一小部分碳会进入深海进行长期储存。”

Sharma还于12月10日在华盛顿举行的美国地球物理联盟年会（American Geophysical Union annual conference)上介绍了这些发现。他说：“这个方法的新颖之处在于用粘土使生物泵更有效率—浮游动物产生粘土的排泄物，下沉的更快。”他在2020年因为这个项目获得了Guggenheim奖。

“这种颗粒是这些小家伙们用来吃的东西。我们的实验表明，它们无法分辨粘土和浮游植物还是只有浮游植物—它们只是吃这些，”他说。“当它们把颗粒物排泄出来时，它们在地表以下数百米，碳也是。”

该团队对2023年藻华（algae blooms）爆发期间，从缅因州湾收集的水进行了实验室实验。他们发现，当粘土附着在花死亡时释放的有机碳上时，它会促使海洋细菌产生一种胶水，导致粘土和有机碳形成称为絮体（flocs）的小球。

通过喷洒大陆矿物粉尘增强生物碳泵的原理与机制。传统生物碳泵依赖浮游植物光合作用生成的颗粒有机物下沉，将大气中的二氧化碳转移至深海。然而，大部分有机碳在下沉过程中被分解重新释放到大气中，导致储存效率较低。实验表明，喷洒矿物粉尘能够促进有机碳与黏土形成絮凝体，加速颗粒沉降，并通过浮游动物的粪粒沉降和垂直迁移进一步提升碳封存深度。这一方法有望显著增强碳从大气到海洋沉积物的转移效率，为应对气候变化提供新途径。（DikshaSharma等人）

研究人员报告说，这些絮体（flocs）成为了浮游动物每天吃的各种颗粒物的一部分。一旦消化，嵌入动物粪便中的絮体就会下沉，有可能将碳埋在可以储存数千年的深度。研究发现，未食用的粘土-碳球也会下沉，随着更多的有机碳以及死亡和垂死的浮游植物在下降的途中粘附在它们上，其尺寸会增加。

在这个团队的实验中，粘尘在浮游植物死亡之前捕获了高达50%的碳。他们还发现，添加粘土会使有粘性的有机颗粒的浓度增加10倍——这些颗粒在下沉时会收集更多的碳。与此同时，研究人员报告说，在经过粘土处理的海水中，使得碳释放回大气中的细菌数量急剧下降。

Sharma说，在海洋中，絮体成为被称为海洋雪（marine snow）的生物泵的重要组成部分。“海洋雪”是尸体、矿物和其他有机物组成的不断从地表落下的阵雨，将食物和营养物质带到深海。

Sharma说，我们正在创造海洋雪，通过专门附着在粘土矿物的混合物上，可以用更快的速度埋藏碳。

浮游动物以它们贪婪的食欲和令人难以置信的日常逗留加速了这一过程，被称为昼夜垂直迁徙（diel vertical migration）。在黑暗的掩护下，这些动物——每只长约百分之三英寸——在一个巨大的运动中从深处升起数百甚至数千英尺，在地表附近富含营养的水中觅食。规模类似于整个小镇每晚步行数百英里去他们最喜欢的餐厅。

当天亮的时候，动物们会回到更深的水中，里面有絮体，它们作为粪便沉积在那里。这种被称为主动运输的快速过程是海洋生物泵的另一个关键方面，它缩短了碳通过下沉到达更深的深度所需的时间。

今年早些时候，研究合著者Manasi Desai介绍了与Sharma和缅因州比格洛海洋科学实验室的高级研究科学家兼浮游动物生态学家David Fields一起进行的一个项目，表明浮游动物食用和排出的粘土絮确实下沉得更快。Desai是Sharma实验室的前技术人员，现在是Fields实验室的技术人员。

Sharma计划，使用农作物除尘飞机在南加州海岸的浮游植物上喷洒粘土来实地测试该方法。他希望放置在近海不同深度的传感器将捕捉到不同物种的浮游动物如何消耗粘土-碳絮状物，以便研究团队能够更好地衡量部署这种方法的最佳时机和地点——以及它限制在深海中的确切碳量。

“找到合适的海洋环境来做这项工作非常重要。你不能只是到处乱扔粘土，”Sharma说。“我们需要先了解不同深度的效率，这样我们才能在启动这个过程之前了解启动这个过程的最佳地点。我们还没到那里——我们才刚刚开始。”

感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看该研究的原文：

Diksha Sharma, Vignesh Gokuladas Menon, Manasi Desai, Danielle Niu, Eleanor Bates, Annie Kandel, Erik R. Zinser, David M. Fields, George A. O’Toole, Mukul Sharma. Organoclay flocculation as a pathway to export carbon from the sea surface. Scientific Reports, 2024; 14 (1) DOI: 10.1038/s41598-024-79912-z