Från växtplankton till klimatförändringar: Zinks centrala roll i global dynamik

Genom att gräva ner i södra oceanens djup har ny forskning belyst zinks centrala roll i havets kolkretslopp och dess bredare miljöpåverkan.

En studie belyser den kritiska rollen av oorganiskt zink i södra oceanens inflytande på globala biologiska processer och kolets kretslopp. Den betonar interaktionen mellan zink och andra marina näringsämnen, metoden för att använda djuphavsexpeditioner för datainsamling och effekten av zink på växtplanktonproduktiviteten. Forskningen understryker framtida konsekvenser för klimatförändringar och marin biologisk mångfald.

Södra oceanens roll i globala cykler

En ny studie publicerad denna vecka i tidskriften Vetenskap bekräftar på nytt Sydhavets viktiga roll i globala biologiska processer och kolets kretslopp. Den avslöjar, för första gången baserat på fältbevis, den underskattade rollen av oorganiska zinkpartiklar i dessa cykler.

Södra oceanen spelar den största rollen i den globala växtplanktonproduktiviteten, som är ansvarig för att absorbera atmosfärisk koldioxid. I dessa processer är zink, som finns i spårmängder i havsvatten, ett viktigt mikronäringsämne som är avgörande för många biokemiska processer i marina organismer, särskilt för polära växtplanktonblomningar.

Zinks interaktion med marina näringsämnen

När växtplanktonblomningar försvinner frigörs zink. Men hittills var forskare förbryllade eftersom det fanns en observerad disjunkt mellan zink och fosfor, ett annat näringsämne som är nödvändigt för livet i haven, även om båda näringsämnena är samlokaliserade i liknande regioner i växtplankton. Istället ses ofta en stark (men oförklarlig) koppling mellan zink och löst kiseldioxid.

Prof. Alakendra Roychoudhury, specialist på miljö och marin biogeokemi vid Stellenbosch University (SU) och medförfattare till artikeln, säger att de nu för första gången med tillförsikt kan förklara de biogeokemiska processerna som driver havens zinkcykel.

Forskningsexpeditioner och metoder

Sedan 2013 har Roychoudhurys forskargrupp vid SU:s institution för geovetenskap anslutit sig till tre expeditioner av Sydafrikas polarforskningsfartyg SA Agulhas II. Teamet korsade det stora södra havet på väg till Antarktis både sommar och vinter och samlade in havsvattenprover från ytan och djuphavet, såväl som sediment.

Dr Ryan Cloete, medförsta författare på tidningen och för närvarande postdoktor vid Laboratory of Environmental Marine Sciences (LEMAR) i Frankrike, deltog i två av dessa expeditioner: ”Att studera södra oceanen är så viktigt eftersom det fungerar som en centralt nav för global havscirkulation. Processer som sker i södra oceanen präglas av vattenmassor som sedan transporteras till Atlanten, Indiska och Stilla havet”, förklarar han.

Arbetar med forskare från Princeton Universitetuniversiteten i Chicago och Kalifornien Santa Cruz, samt Max Planck Institute for Chemistry, utsattes proverna för detaljerad partikel-för-partikel-analys med röntgenspektroskopiska tekniker vid en synkrotronanläggning, vilket gjorde det möjligt för dem att studera prover på atomär och molekylär nivå.

Zinks säsongsdynamik och klimatkonsekvenser

På sommaren verkar det som om högre produktivitet leder till ett större överflöd av zink i den organiska delen av ythavet, som lätt kan bli tillgänglig för upptag av växtplankton. Men forskarna fann också höga koncentrationer av zink associerade med skräp som härrör från stenar och jord, och från atmosfäriskt damm, som finns i dessa prover.

I det öppna havet är samspelet mellan zinks association eller dissociation från partiklar avgörande för att fylla på löst zink för att stödja marint liv.

Cloete förklarar sina upptäckter: ”På grund av dåliga odlingsförhållanden på vintern, ’rensas’ zinkpartiklar bokstavligen av oorganiska fasta ämnen som kiseldioxid, rikligt tillgängliga i form av kiselalger, såväl som järn- och aluminiumoxider. Kiselalger är mikroalger – encelliga organismer med skelett gjorda av kiseldioxid – vilket förklarar det starka sambandet mellan zink och kiseldioxid i haven.”

Med andra ord, när zink är bundet till en organisk ligand är det lätt att ta upp av marint liv som växtplankton. Zink i mineralfas är dock inte lätt att lösa upp och kommer därför inte att vara lätt tillgänglig för upptag. I denna form kan partikelformigt zink bilda stora aggregat och sjunka till djuphavet, där det blir otillgängligt för upptag av växtplankton.

Framtida riktningar och global påverkan

Denna förståelse av den globala zinkcykeln har viktiga implikationer i samband med uppvärmning av hav, varnar Roychoudhury: ”Ett varmare klimat ökar erosion, vilket leder till att mer damm i atmosfären och följaktligen mer damm deponeras i haven. Mer damm betyder mer rensning av zinkpartiklar, vilket leder till att mindre zink är tillgängligt för att upprätthålla växtplankton och annat marint liv.”

Cloete säger att deras nya tillvägagångssätt för att studera den oceaniska zinkcykeln nu öppnar dörren för att undersöka andra viktiga mikronäringsämnen: ”Som zink, kan distributionen av koppar, kadmiun och kobolt också uppleva klimatinducerade förändringar i framtiden.”

För Roychoudhury bekräftar resultaten södra oceanens globala inflytande för att reglera klimatet och den marina näringsväven: ”Jordsystemet är intrikat kopplat genom fysiska, kemiska och biologiska processer med självkorrigerande återkopplingsslingor för att modulera variabilitet och motverka klimatförändringar. Våra resultat är ett utmärkt exempel på denna koppling där biokemiska processer som sker på molekylär nivå kan påverka globala processer som uppvärmningen av vår planet.”