DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-025-01305-4
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Bernadette Rosati وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم دور الطحالب الدقيقة في انبعاث المركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، مع التركيز بشكل خاص على ثنائي ميثيل الكبريتيد (DMS)، الذي يعد مهماً للعمليات الجوية وتنظيم المناخ. تدرس الدراسة استجابة الطحالب الدقيقة من نوع هابتوفيت في المياه العذبة والمالحة لتداخل الهواء وآليات انفجار الفقاعات المرتبطة بكسر الأمواج في المحيط. تكشف النتائج أن الفقاعات تسهل تحويل الطحالب الدقيقة إلى رذاذ وإطلاق DMS في الوقت نفسه، بينما يؤدي توقف الفقاعات إلى مستويات خلفية فقط من DMS، مما يبرز الدور الحاسم للفقاعات في تبادل هذه المركب بين البحر والهواء.
بالإضافة إلى ذلك، تشير الأبحاث إلى أن نسب خلط DMS لا تتوافق مع تركيزات الجسيمات المنبعثة، التي تظل مستقرة مع مرور الوقت، حتى مع انخفاض مستويات DMS. من المهم أن الفقاعات وجدت أنها تقلل بشكل كبير من قابلية الطحالب الدقيقة؛ حيث كانت حوالي 50% من الطحالب الدقيقة المتطايرة قابلة للحياة عند الانبعاث لكنها فشلت في النمو خلال جهود الاستعادة اللاحقة. وبالتالي، بينما تظل الإمكانية للطحالب الدقيقة للتشتت إلى بيئات جديدة عبر التحويل إلى رذاذ محدودة، فإن مساهمتها في تأثير المناخ من خلال إطلاق DMS تظل كبيرة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور المهم للهباء الجوي الجوي، وخاصة الجسيمات البيولوجية الهباء الجوي الأولية (PBAPs)، في التأثير على توازن الإشعاع الأرضي وتكوين السحب. تشمل PBAPs، التي تتضمن الطحالب الدقيقة المحمولة جواً والميكروبات أحادية الخلية، تنبعث بشكل أساسي من خلال عمليات مثل انفجار الفقاعات أثناء حركة الأمواج في البيئات المائية. على الرغم من حجمها الكبير عادةً مما يشير إلى وقت إقامة جوي قصير، تشير الأدلة إلى أن الطحالب الدقيقة المحمولة جواً يمكن أن تُنقل لمسافات طويلة، حتى إلى مناطق نائية مثل القارة القطبية الجنوبية، تحت ظروف جوية محددة.
تركز الدراسة على إمكانيات التحويل إلى رذاذ وإطلاق ثنائي ميثيل الكبريتيد (DMS) من نوعين من الطحالب الدقيقة، أحدهما من موائل المياه العذبة والآخر من موائل المياه المالحة. DMS، مصدر طبيعي مهم للكبريت في الغلاف الجوي، يتم إنتاجه من ثنائي ميثيل سلفونيوبروبيونات (DMSP) بواسطة الطحالب الدقيقة البحرية. تهدف الأبحاث إلى دراسة كيف تؤثر سيناريوهات انفجار الفقاعات المختلفة على تحويل الطحالب الدقيقة إلى رذاذ والإفراج المتزامن عن DMSP وDMS، بالإضافة إلى قابلية الطحالب الدقيقة المتطايرة. هذه الاستكشافات حاسمة لفهم التفاعلات المعقدة بين الهباء الجوي البيولوجي والمناخ وكيمياء الغلاف الجوي، خاصة فيما يتعلق بتكوين الهباء الجوي الثانوي الذي يمكن أن يعمل كنوى تكثف السحب (CCN).
طرق
كانت الطرق التجريبية المستخدمة في هذه الدراسة تهدف إلى تقييم إمكانيات التحويل إلى رذاذ للطحالب الدقيقة باستخدام خزان توليد رذاذ البحر من الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يعكس الإعداد الموصوف في الأبحاث السابقة. تم ملء الخزان بمحلول مياه البحر الاصطناعية، يتكون من 55% Cl⁻، 31% Na⁺، 8% SO₄²⁻، 4% Mg²⁺، 1% K⁺، و1% Ca²⁺، مختلطاً مع مياه MilliQ لتحقيق ملوحة تبلغ 3.5% (35 psu)، والتي تمثل الظروف المحيطية. تم مراقبة الملوحة خلال التجارب، مع قيمة مسجلة تبلغ 3% خلال تجربة واحدة. بالنسبة للتجارب في المياه العذبة، تم استخدام مياه MilliQ النقية. احتوى الخزان على 10 لترات من المحلول وحوالي 5 لترات من المساحة الهوائية، مع تتبع مستويات pH باستخدام شرائط اختبار pH من Dosatest®.
تم تسهيل التحويل إلى رذاذ باستخدام إما نفاثة غاطسة واحدة (SJ) أو نفاثات متعددة (MJ)، مع تكوينات ومعدلات تدفق محددة مصممة لتحسين تركيزات عدد الجسيمات. شمل إعداد SJ إعدادات مضخة متنوعة، مع اختيار SJ9 وMJ3 لفعاليتها في توليد تركيزات عالية من الجسيمات. تم إجراء خطوة تجانس قبل المعالجات لضمان تعليق موحد للطحالب الدقيقة والمحلول المائي. تم إدخال هواء نظيف إلى المساحة الهوائية لتسهيل مراقبة الجسيمات المتطايرة والغازات المنبعثة، على الرغم من عدم احتساب التأثيرات المحتملة من جدران وقاع الخزان في التحليل.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على تأثيرات الفقاعات على وفرة وقابلية نوعين من سلالات الطحالب الدقيقة (المياه العذبة، FW، والمياه المالحة، SW) خلال عمليات التحويل إلى رذاذ. وجدت الدراسة أن إجمالي وفرة الطحالب الدقيقة تراوحت بين 5 إلى 630 مليون خلية لكل 10 لترات، متوافقة مع الازدهارات الطبيعية. بينما ظلت الوفرة العامة مشابهة عبر المعالجات المختلفة (التجانس، SJ، MJ)، أظهرت سلالة FW حساسية أكبر بشكل ملحوظ تجاه المعالجة، مع انخفاض ملحوظ في الخلايا القابلة للحياة بعد التجانس. أشارت التحليلات الإحصائية إلى أن نوع المعالجة لم يؤثر بشكل كبير على إجمالي وفرة الطحالب الدقيقة أو قابليتها للحياة، مما يشير إلى أن الاضطراب والخلط الناتج عن عملية الفقاعات كانت عوامل أكثر أهمية تؤثر على سلامة الخلايا.
علاوة على ذلك، لاحظت الدراسة أن تركيزات الرذاذ كانت أعلى بكثير في تجارب SW، مما يُعزى إلى وجود جزيئات الملح، بينما أسفرت تجارب FW عن عدد أكبر من خلايا الطحالب الدقيقة. أشارت توزيعات حجم الجسيمات المتطايرة إلى أن كلا السلالتين أنتجتا جزيئات تصل إلى حوالي 4 ميكرومتر، دون وجود اختلافات كبيرة بين المعالجات. على الرغم من أن أكثر من نصف الطحالب الدقيقة المتطايرة كانت سليمة عند الانبعاث، إلا أنه لم يكن بإمكان أي منها الانتعاش في اختبارات الزراعة اللاحقة، مما يشير إلى إمكانية محدودة للاستعمار بعد التحويل إلى رذاذ. يبرز الإفراج المتزامن عن ثنائي ميثيل سلفونيوبروبيونات (DMSP) وثنائي ميثيل الكبريتيد (DMS) خلال الفقاعات دور الطحالب الدقيقة في عمليات تبادل الهواء والبحر، مع تداعيات على تكوين السحب وكيمياء الغلاف الجوي. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعلات المعقدة بين الطحالب الدقيقة وبيئتها خلال عمليات التحويل إلى رذاذ، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في أدوارها البيئية وتأثيراتها الجوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-025-01305-4
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Bernadette Rosati et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This section investigates the role of microalgae in the emission of volatile organic compounds (VOCs), specifically focusing on dimethyl-sulfide (DMS), which is significant for atmospheric processes and climate regulation. The study examines the response of both freshwater and saltwater haptophyte microalgae to air entrainment and bubble-bursting mechanisms associated with ocean wave-breaking. The findings reveal that bubbling facilitates the aerosolization of microalgae and the concurrent release of DMS, while the cessation of bubbling results in only background levels of DMS, highlighting the critical role of bubbles in the sea-air exchange of this compound.
Additionally, the research indicates that DMS mixing ratios do not correlate with emitted particle concentrations, which remain stable over time, even as DMS levels decrease. Importantly, bubbling was found to significantly reduce the viability of the microalgae; approximately 50% of the aerosolized microalgae were viable upon emission but failed to grow during subsequent recovery efforts. Consequently, while the potential for microalgae to disperse to new environments via aerosolization is limited, their contribution to climate impact through DMS release remains considerable.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant role of atmospheric aerosols, particularly primary biological aerosol particles (PBAPs), in influencing Earth’s radiative balance and cloud formation. PBAPs, which include airborne microalgae and unicellular microorganisms, are primarily emitted through processes such as bubble bursting during wave action in aquatic environments. Despite their typically large size suggesting a short atmospheric residence time, evidence indicates that airborne microalgae can be transported over long distances, even to remote areas like Antarctica, under specific meteorological conditions.
The study focuses on the aerosolization potential and dimethyl sulfide (DMS) release from two microalgal species, one from freshwater and one from saltwater habitats. DMS, a significant natural source of sulfur in the atmosphere, is produced from dimethylsulfoniopropionate (DMSP) by marine microalgae. The research aims to investigate how different bubble bursting scenarios affect the aerosolization of microalgae and the concurrent release of DMSP and DMS, as well as the viability of aerosolized microalgae. This exploration is crucial for understanding the complex interactions between biological aerosols, climate, and atmospheric chemistry, particularly regarding the formation of secondary aerosols that can act as cloud condensation nuclei (CCN).
Methods
The experimental methods employed in this study aimed to assess the aerosolization potential of microalgae using a stainless steel sea spray generation tank, mirroring the setup described in prior research. The tank was filled with a synthetic seawater solution, comprising 55% Cl⁻, 31% Na⁺, 8% SO₄²⁻, 4% Mg²⁺, 1% K⁺, and 1% Ca²⁺, mixed with MilliQ water to achieve a salinity of 3.5% (35 psu), which is representative of oceanic conditions. Salinity was monitored during the experiments, with a recorded value of 3% during one trial. For freshwater experiments, pure MilliQ water was utilized. The tank contained 10 L of solution and approximately 5 L of headspace, with pH levels tracked using Dosatest® pH test strips.
The aerosolization was facilitated using either a single plunging jet (SJ) or multiple jets (MJ), with specific configurations and flow rates tailored to optimize particle number concentrations. The SJ setup included various pump settings, with SJ9 and MJ3 selected for their efficacy in generating high particle concentrations. A homogenization step was performed prior to treatments to ensure a uniform suspension of microalgae and the aqueous solution. Clean sweep air was introduced into the headspace to facilitate monitoring of aerosolized particles and emitted gases, although potential effects from the tank’s walls and bottom were not accounted for in the analysis.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the effects of bubbling on the abundance and viability of two microalgal strains (freshwater, FW, and saltwater, SW) during aerosolization processes. The study found that the total abundance of microalgae ranged from 5 to 630 million cells per 10 liters, consistent with natural blooms. While the overall abundance remained similar across different treatments (Homogenisation, SJ, MJ), the FW strain exhibited a significantly greater sensitivity to treatment, with a marked reduction in viable cells post-Homogenisation. Statistical analyses indicated that treatment type did not significantly influence total microalgal abundance or viability, suggesting that the turbulence and mixing induced by the bubbling process were more critical factors affecting cell integrity.
Furthermore, the study observed that aerosol concentrations were substantially higher in SW experiments, attributed to the presence of salt particles, while FW experiments yielded higher microalgal cell counts. The size distributions of aerosolized particles indicated that both strains produced particles up to approximately 4 µm, with no significant differences between treatments. Despite over half of the aerosolized microalgae being intact upon emission, none were able to revive in subsequent cultivation tests, suggesting limited potential for colonization post-aerosolization. The concurrent release of dimethylsulfoniopropionate (DMSP) and dimethylsulfide (DMS) during bubbling underscores the role of microalgae in air-sea exchange processes, with implications for cloud formation and atmospheric chemistry. Overall, the findings emphasize the complex interactions between microalgae and their environment during aerosolization, warranting further investigation into their ecological roles and atmospheric impacts.