DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02132-4
تاريخ النشر: 2025-02-27
المؤلف: Habeeb Thanveer Kalapurakkal وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية البحرية والساحلية
نظرة عامة
تستكشف هذه الفقرة تأثير إعادة تعليق الرواسب في نظم الكربون الأزرق، مع التركيز بشكل خاص على أسرّة الأعشاب البحرية والرواسب الطينية. تسلط الدراسة الضوء على أن إعادة التعليق تكشف عن الكربون العضوي الجزيئي المدفون إلى المياه المؤكسجة، مما يمكن أن يعزز تدفقات ثاني أكسيد الكربون من خلال إعادة التمعدن. تكشف تجارب الحضانة التي أجريت باستخدام رواسب من خليج كيل أن معدلات إعادة تمعدن الكربون أعلى بكثير في ظل الظروف المؤكسجة، حيث تكون المعدلات تصل إلى ضعف تلك التي لوحظت في ظل الظروف غير المؤكسجة.
علاوة على ذلك، تشير نموذج عمود الرواسب والمياه المترافق إلى أن أكسدة البيريت تلعب دورًا حاسمًا في دفع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بعد الاضطرابات البشرية، مثل الصيد بالشباك، بدلاً من أكسدة الكربون نفسها. تشير النتائج إلى أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السنوية من المناطق الطينية في خليج كيل قد تصل إلى حوالي 14,000 طن. قد تؤدي عملية أكسدة البيريت إلى تقويض فعالية مضخة الكربون في الرف، مما يقلل من القدرة على امتصاص ثاني أكسيد الكربون البشري في هذه النظم البيئية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام أنوية الرواسب لإعداد معلقات للحضانة، مع التركيز على الجزء العلوي من 10 سم من الرواسب. تم تحليل عينات ثلاثية للنفاذية، والكربون العضوي الجزيئي (POC)، والكربون غير العضوي الجزيئي (PIC)، والنيتروجين الجزيئي (PN). تم تخفيف الرواسب بمياه البحر الطبيعية المصفاة بنسبة 2:1 (ماء: رواسب) وتم تجانسها، مع إزالة يدوية لجذور الأعشاب البحرية وقطع القذائف. تم وضع حوالي 3 جرام من هذا المعلق في زجاجات حضانة سعة 50 مل مسبقة الوزن، وتم تخفيفها بشكل إضافي بـ 27-30 مل من مياه البحر المصفاة، مما أدى إلى نسبة معلق إلى فراغ رأس الزجاجة تبلغ 30-33 مل: 17-20 مل. تم استخدام نسب مختلفة لمواقع الدراسة أسشاو وهيليغنهافن لتسهيل أخذ عينات pCO2.
تم إعداد زجاجات الحضانة لكل من الظروف المؤكسجة وغير المؤكسجة، مع الحد الأدنى من 80 زجاجة لكل حالة في أسشاو وهيليغنهافن، بينما تم إعداد عينات مؤكسجة فقط لبكنيس إيك. أصبحت المعلقات في بكنيس إيك غير مؤكسجة بعد 35 يومًا بسبب معدلات تنفس الأكسجين العالية، مما استدعى 65 يومًا إضافيًا من المراقبة تحت الظروف غير المؤكسجة. تم إغلاق الزجاجات لأخذ عينات الغاز، وتم تطهيرها بالهواء المضغوط أو N2، وتم خلطها باستمرار على هزاز ميكانيكي. تم أخذ عينات يوميًا خلال الأيام العشرة الأولى، ثم بفواصل متزايدة، مع وجود ضوابط تتكون من زجاجات تحتوي فقط على الغاز ومياه البحر المصفاة. تم حضانة جميع العينات في الظلام عند حوالي 4 °م أو 12 °م لفترات تتراوح من 95 إلى 240 يومًا، مع بقاء تغييرات الضوابط أقل من 4% من التركيزات الأولية.
نتائج
تشير نتائج نموذج التناسب العددي لبيانات بكنيس إيك إلى أن العمر الأولي ($a_0$) للكربون العضوي الجزيئي المعاد تمعدنه (POC) كان 4.3 سنوات في ظل الظروف المؤكسجة و4.4 سنوات في ظل الظروف غير المؤكسجة، مما أدى إلى ثوابت معدلات من الدرجة الأولى المتوسطة ($k_{POC}$) تبلغ 0.039 سنة$^{-1}$ و0.037 سنة$^{-1}$، على التوالي. من الجدير بالذكر أن قيم $a_0$ اختلفت بشكل كبير بين المواقع، حيث أدت الظروف المؤكسجة في أسشاو وهيليغنهافن إلى قيم $a_0$ تبلغ 2.46 و1.3 سنوات، مما يتوافق مع قيم $k_{POC}$ تبلغ 0.08 و0.14 سنة$^{-1}$. في المقابل، أظهرت الظروف غير المؤكسجة تباينًا أقل، حيث تراوحت قيم $a_0$ من 4.10 إلى 3.18 سنوات وقيم $k_{POC}$ تبلغ 0.04 و0.05 سنة$^{-1}$. توقع النموذج أن التنفس الهوائي هيمن على إعادة تمعدن الكربون في الظروف المؤكسجة، بينما كانت تقليل الكبريتات أكثر أهمية خلال الظروف غير المؤكسجة، خاصة في بكنيس إيك.
كشفت التحليلات الإضافية للـ δ¹³C-DIC في المعلقات في هيليغنهافن أن DIC في التجارب غير المؤكسجة نشأ بشكل أساسي من إعادة تمعدن POC، بينما ساهم ذوبان الكالسيت في DIC في الظروف المؤكسجة. انخفضت قيم δ¹³C-DIC مع مرور الوقت، متقاربة نحو قيم أثقل في الظروف المؤكسجة (-5‰) مقارنة بالظروف غير المؤكسجة (-8‰). استخدم النموذج قيمة δ¹³C-POC تبلغ -18‰، مما يتماشى جيدًا مع القيم المنشورة للمواد العضوية البحرية. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد تفاعلات مهمة تشمل ذوبان الكالسيت وأكسدة البيريت، حيث تم قياس معدلات ذوبان الكالسيت عند 4493 و226 و358 نانومول Ca جرام$^{-1}$ يوم$^{-1}$ عبر مواقع الدراسة. كانت معدلات أكسدة البيريت أيضًا ملحوظة، مع قيم تبلغ 1742 و55 و105 نانومول Fe جرام$^{-1}$ يوم$^{-1}$. بشكل عام، تم تحديد أكسدة البيريت وإعادة تمعدن POC الهوائية كمصادر الأكسجين الرئيسية، خاصة في الرواسب الغنية بالكربون في بكنيس إيك.
مناقشة
تسلط فقرة المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لتعرض الأكسجين على معدلات إعادة تمعدن الكربون العضوي الجزيئي (POC) في الرواسب البحرية. تشير النتائج إلى أن معدلات إعادة تمعدن POC كانت تقريبًا ضعف ما كانت عليه في الظروف المؤكسجة مقارنة بالظروف غير المؤكسجة في الرواسب الرملية من أسشاو وهيليغنهافن، بينما لم يُلاحظ أي فرق كبير في الرواسب الدقيقة في بكنيس إيك. وهذا يشير إلى أن الطبيعة الحامية للرواسب الدقيقة ضد إعادة التمعدن قد تكون بسبب الامتصاص على الأسطح المعدنية. كما تفيد الدراسة بمعدلات ثوابت إعادة تمعدن متوسطة ($k_{POC}$) تبلغ 0.110 سنة$^{-1}$ في الظروف المؤكسجة و0.051 سنة$^{-1}$ في الظروف غير المؤكسجة، وهي أقل بكثير من القيم المبلغ عنها سابقًا، مما يشير إلى أن تفاعل POC الكلي في هذه الرواسب قد يكون مبالغًا فيه في الدراسات السابقة.
علاوة على ذلك، تؤكد الأبحاث على دور أكسدة البيريت وذوبان الكربونات في تغيير العمليات البيوجيوكيميائية خلال إعادة تعليق الرواسب. تظهر النتائج أن إعادة تعليق الرواسب غير المؤكسجة في المياه المؤكسجة تؤدي إلى زيادة إنتاج القلوية الكلية (TA)، مدفوعة بشكل أساسي بذوبان الكالسيت، وتبرز التفاعل المعقد بين التنفس الهوائي، وذوبان الكالسيت، وأكسدة البيريت. تقترح الدراسة أن إعادة تعليق الرواسب، خاصة من الصيد القاعي، يمكن أن تحول البيئات البحرية من مصارف CO₂ إلى مصادر، مما يؤثر بشكل كبير على امتصاص CO₂ في الغلاف الجوي. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في تأثيرات إعادة تعليق الرواسب على دورة الكربون والآثار المحتملة لاستراتيجيات إدارة الكربون الساحلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02132-4
Publication Date: 2025-02-27
Author(s): Habeeb Thanveer Kalapurakkal et al.
Primary Topic: Marine and coastal ecosystems
Overview
This section investigates the impact of sediment resuspension in blue carbon ecosystems, particularly focusing on seagrass beds and muddy sediments. The study highlights that resuspension exposes buried particulate organic carbon to oxygenated waters, which can enhance carbon dioxide fluxes through remineralization. Incubation experiments conducted with sediments from Kiel Bight reveal that carbon remineralization rates are significantly higher under oxic conditions, with rates being up to two-fold greater than those observed under anoxic conditions.
Furthermore, a coupled sediment-water column model indicates that pyrite oxidation plays a crucial role in driving carbon dioxide emissions following anthropogenic disturbances, such as trawling, rather than carbon oxidation itself. The findings suggest that the annual carbon dioxide emissions from muddy areas of Kiel Bight could reach approximately 14,000 tonnes. This pyrite oxidation process may undermine the effectiveness of the carbon shelf pump, thereby diminishing the capacity for anthropogenic carbon dioxide uptake in these ecosystems.
Methods
In this study, sediment cores were utilized to prepare slurries for incubation, focusing on the upper 10 cm of sediment. Triplicate samples were analyzed for porosity, particulate organic carbon (POC), particulate inorganic carbon (PIC), and particulate nitrogen (PN). The sediment was diluted with filtered natural seawater in a 2:1 ratio (water: sediment) and homogenized, with manual removal of seagrass roots and shell fragments. Approximately 3 g of this suspension was placed in pre-weighed 50 mL glass incubation bottles, further diluted with 27-30 mL of filtered seawater, resulting in a slurry-to-headspace ratio of 30-33 mL: 17-20 mL. Different ratios were employed for the study sites Aschau and Heiligenhafen to facilitate pCO2 sampling.
Incubation bottles were prepared for both oxic and anoxic conditions, with a minimum of 80 bottles for each condition at Aschau and Heiligenhafen, while only oxic samples were prepared for Boknis Eck. The Boknis Eck slurries became anoxic after 35 days due to high oxygen respiration rates, prompting an additional 65 days of observation under anoxic conditions. The bottles were sealed for gas sampling, purged with compressed air or N2, and continuously mixed on a mechanical shaker. Sampling occurred daily for the first 10 days, then at increasing intervals, with controls consisting of bottles with only gas and filtered seawater. All samples were incubated in the dark at approximately 4 °C or 12 °C for durations ranging from 95 to 240 days, with control changes remaining below 4% of initial concentrations.
Results
The results of the numerical model fitting to the Boknis Eck data indicate that the initial age ($a_0$) for remineralized particulate organic carbon (POC) was 4.3 years during oxic conditions and 4.4 years during anoxic conditions, leading to mean first-order rate constants ($k_{POC}$) of 0.039 yr$^{-1}$ and 0.037 yr$^{-1}$, respectively. Notably, the $a_0$ values varied significantly between sites, with oxic conditions at Aschau and Heiligenhafen yielding $a_0$ values of 2.46 and 1.3 years, corresponding to $k_{POC}$ values of 0.08 and 0.14 yr$^{-1}$. In contrast, anoxic conditions showed less variability, with $a_0$ values ranging from 4.10 to 3.18 years and $k_{POC}$ values of 0.04 and 0.05 yr$^{-1}$. The model predicted that aerobic respiration dominated carbon remineralization in oxic conditions, while sulfate reduction was more significant during anoxic conditions, particularly at Boknis Eck.
Further analysis of the measured δ¹³C-DIC in Heiligenhafen slurries revealed that DIC in anoxic experiments primarily originated from POC remineralization, whereas calcite dissolution contributed to DIC in oxic conditions. The δ¹³C-DIC values decreased over time, converging towards heavier values in oxic conditions (-5‰) compared to anoxic conditions (-8‰). The model utilized a δ¹³C-POC value of -18‰, aligning well with published values for marine organic matter. Additionally, significant reactions identified included calcite dissolution and pyrite oxidation, with rates of calcite dissolution measured at 4493, 226, and 358 nmol Ca g$^{-1}$ d$^{-1}$ across the study sites. Pyrite oxidation rates were also notable, with values of 1742, 55, and 105 nmol Fe g$^{-1}$ d$^{-1}$. Overall, pyrite oxidation and aerobic POC remineralization were identified as the primary oxygen sinks, particularly in the carbon-rich sediments of Boknis Eck.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant influence of oxygen exposure on the remineralization rates of particulate organic carbon (POC) in marine sediments. The findings indicate that POC remineralization rates were approximately twice as high under oxic conditions compared to anoxic conditions in sandy sediments from Aschau and Heiligenhafen, while no substantial difference was observed in the fine-grained sediments of Boknis Eck. This suggests that the protective nature of fine-grained sediments against remineralization may be due to adsorption to mineral surfaces. The study also reports mean remineralization rate constants ($k_{POC}$) of 0.110 yr$^{-1}$ under oxic conditions and 0.051 yr$^{-1}$ under anoxic conditions, which are significantly lower than previously reported values, indicating that the reactivity of bulk POC in these sediments may be overestimated in earlier studies.
Additionally, the research emphasizes the role of pyrite oxidation and carbonate dissolution in altering biogeochemical processes during sediment resuspension. The results show that resuspension of anoxic sediments in oxygenated waters leads to increased total alkalinity (TA) production, primarily driven by calcite dissolution, and highlights the complex interplay between aerobic respiration, calcite dissolution, and pyrite oxidation. The study suggests that sediment resuspension, particularly from bottom trawling, can transform marine environments from CO₂ sinks to sources, significantly impacting atmospheric CO₂ uptake. The findings underscore the need for further investigation into the effects of sediment resuspension on carbon cycling and the potential implications for coastal carbon management strategies.