DOI: https://doi.org/10.5194/bg-22-7563-2025
تاريخ النشر: 2025-12-03
المؤلف: Riaz Bibi وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية البحرية والساحلية
نظرة عامة
تعتبر الطبقة الدقيقة لسطح البحر (SML)، وهي طبقة رقيقة على سطح المحيط، ضرورية لدورات البيوجيوكيمياء البحرية وتفاعلات الهواء والبحر، والتي تتأثر بشكل خاص بالطحالب الدقيقة والمواد السطحية. تهدف دراسة متعددة التخصصات أجريت في معهد الكيمياء وعلم الأحياء للبيئة البحرية في ألمانيا إلى توضيح الديناميات البيوجيوكيميائية بين SML والمياه تحت السطحية (ULW) خلال ازدهار الطحالب الدقيقة. كشفت الدراسة عن مراحل متميزة من تقدم الازدهار، تتميز بتغيرات في تركيزات الكلوروفيل أ (Chl a)، وأبرزت هيمنة الهبتوفيت، وبشكل خاص *Emiliania huxleyi*. ومن الجدير بالذكر أن الازدهار أدى إلى زيادة المواد السطحية والكربون العضوي المذاب (DOC) في SML، مما خلق موطنًا شبيهًا بالأغشية الحيوية الذي زاد من وفرة البكتيريا وغير من ديناميات المغذيات.
تؤكد النتائج على دور SML كخزان ديناميكي للبيوجيوكيمياء، يؤثر بشكل كبير على النشاط الميكروبي وعمليات تبادل الهواء والبحر. أظهرت مرحلة ما بعد الازدهار تركيزات مغذيات غنية وتغيرات في الخصائص الفيزيائية، مثل زيادة اللزوجة وتغطية السطح، مما يمكن أن يعيق تبادل الغازات. تؤكد هذه النتائج على أهمية دمج ديناميات SML في نماذج نظام الأرض لتحسين توقعات المناخ وفهم تفاعلات المحيط والغلاف الجوي. تدعو الدراسة إلى مزيد من الأبحاث متعددة التخصصات لاستكشاف التباين المكاني والزماني لعمليات SML البيوجيوكيميائية، مما يعزز فهمنا لدورها في نظام المحيط-المناخ الأوسع.
مقدمة
تناقش المقدمة الطبقة الدقيقة لسطح البحر (SML)، وهي طبقة حدود رقيقة بين المحيط والغلاف الجوي، تتميز بخصائص بيولوجية وكيميائية وفيزيائية فريدة بسبب تعرضها للضغوط البيئية مثل الأشعة فوق البنفسجية وترسيب المغذيات. تعمل SML كميكروكوزم غير ذاتي التغذية غني بالمواد العضوية (OM) والمغذيات، مما يدعم مجتمعات بيولوجية متميزة تساهم في إنتاج وتحويل OM. ومن الجدير بالذكر أنه يُقدّر أن 200 Tg C تتراكم في SML سنويًا، حيث تلعب ازدهارات الطحالب الدقيقة دورًا كبيرًا في إنتاج OM والمواد السطحية.
ديناميات المواد السطحية في SML معقدة، تؤثر بشكل كبير على عمليات تبادل الغازات، مع تقارير عن انخفاضات في معدلات تبادل الغازات تتراوح بين 2% إلى 80% في إعدادات تجريبية مختلفة. تعتبر SML أيضًا مصدرًا للمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) وأنواع الأكسجين التفاعلية، مما يؤثر بشكل أكبر على انبعاثات الغازات النادرة. يشير تكوين اللزوجة، وهو ظاهرة مرئية ناتجة عن تراكم المواد السطحية، إلى إنتاجية بيولوجية عالية ويغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ SML، مما يؤثر على دورة الكربون العضوي البحري وتدفقات المغذيات. يهدف اتحاد البحث حول العمليات البيوجيوكيميائية وتبادل الهواء والبحر في الطبقة الدقيقة لسطح البحر (BASS) إلى توضيح هذه العمليات، مع التركيز على التفاعلات بين SML والمياه تحت السطحية (ULW) خلال ازدهارات الطحالب الدقيقة، مفترضًا أن هذه الازدهارات تعزز تكوين SML الغني بـ OM الذي يؤثر على تبادل غازات الهواء والبحر.
طرق البحث
تم إجراء تجربة الميسوكوزم على مدى 35 يومًا من 15 مايو إلى 16 يونيو 2023، باستخدام مياه البحر الطبيعية من خليج جاد خلال فترة انخفاض وفرة الطحالب الدقيقة. تضمنت الإعدادات التجريبية مضخة تدفق تعمل بمعدل 220 م³/ساعة لتحقيق خلط كامل، مكملة بفلتر أسطوانة من الصوف وتهيئة مسبقة باستخدام جهاز إزالة البروتين ومصباح UV لتقليل تركيزات الجسيمات والنشاط البيولوجي، مما أدى إلى مستويات عكارة أقل من 20 وحدة عكارة نيفيلومترية (NTU). لتقليل الخلط المضطرب، تم وضع ثمانية مضخات أصغر بشكل استراتيجي في قاع الحوض، مما يضمن تيارًا سطحيًا لطيفًا مع الحفاظ على تجانس عمود الماء.
تم إجراء مرحلة تجريبية من 26 أبريل إلى 5 مايو 2023، لتحسين معدلات التدفق وترتيبات المضخات، مع مراقبة مستمرة للعكارة والكلوروفيل أ (Chl a) لتقييم التجانس. بعد ذلك، تم جمع مياه البحر الطبيعية وتركها لتستقر قبل إدخالها إلى الحوض التجريبي. أشارت القياسات الأولية إلى وجود فلوروسينس عالٍ للكلوروفيل أ، على الأرجح بسبب عملية التحضير، مما استدعى فترة استقرار لمدة يومين قبل بدء قياسات السلاسل الزمنية في 18 مايو. طوال التجربة، تم تجديد مياه البحر الطبيعية يوميًا للحفاظ على حجم ثابت، وتم إجراء قياسات مختلفة في الموقع لمراقبة الخصائص البيولوجية والكيميائية والفيزيائية والبصرية للمياه على أعماق مختلفة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى تحول ملحوظ في كتلة الطحالب الدقيقة، كما تم قياسه بواسطة تركيز الكلوروفيل أ (Chl a)، وتكوين المجتمع استجابة لتغيرات المغذيات خلال تجربة الميسوكوزم. تبع هذا التحول تسلسل ازدهار مميز، مما يبرز أهمية ديناميات الطحالب الدقيقة في إنتاج وتوزيع المواد العضوية (OM). العلاقة التآزرية الملحوظة بين Chl a والكربون العضوي الجسيمي (POC) والنيتروجين الجسيمي (PN) تؤكد الدور الحاسم للطحالب الدقيقة في هذه العمليات.
علاوة على ذلك، يشير عدم التوافق بين تركيزات Chl a والمواد السطحية إلى أن الاستجابات الفسيولوجية للطحالب الدقيقة تجاه ضغط المغذيات، وخاصة في مرحلة ما بعد الازدهار، أثرت بشكل كبير على تراكم المواد السطحية في الطبقة الدقيقة لسطح البحر (SML). كان هذا التراكم مدفوعًا بإفرازات الطحالب الدقيقة والتحلل الميكروبي للمواد العضوية. أدى تكوين SML متميز، غني بالمواد السطحية وOM، إلى خلق موطن ميكروبي ملائم، مما أدى إلى زيادة وفرة البكتيريا داخل SML.
المناقشة
تعتبر منشأة Sea-sURface (SURF) في معهد الكيمياء وعلم الأحياء للبيئة البحرية في فيلهلمسهافن، ألمانيا، ميسوكوزم خارجي متعدد الاستخدامات لدراسة البيوجيوكيمياء لسطح المحيط. تتميز المنشأة بحوض خرساني كبير مزود بسقف بولي كربونات قابل للسحب، ومضخات مياه البحر، ووحدات معالجة مسبقة متنوعة للحفاظ على جودة المياه والتحكم في الظروف البيئية. تم إجراء أخذ العينات بشكل منهجي لالتقاط التغيرات اليومية في الطبقة الدقيقة لسطح البحر (SML) والمياه تحت السطحية (ULW)، مع استخدام منهجيات محددة لضمان سلامة العينات وتقليل التلوث. تم تنفيذ إضافات المغذيات بشكل استراتيجي لتحفيز ازدهارات الطحالب الدقيقة، وتم تحليل مجموعة من المعلمات البيوجيوكيميائية، بما في ذلك المغذيات غير العضوية، والمواد السطحية، والكربون العضوي المذاب (DOC)، وأصباغ الطحالب الدقيقة.
كشفت التحليلات الإحصائية عن اختلافات كبيرة بين SML وULW لمختلف المعلمات، مع استخدام اختبارات غير معلمية بسبب التوزيع غير الطبيعي للبيانات. استخدمت الدراسة خريطة ذاتية التنظيم (SOM) لتصور أنماط توزيع المغذيات، مؤكدة فعالية هذا النهج في تجميع البيانات عالية الأبعاد. أشارت الظروف الهيدروغرافية إلى تقلبات يومية في درجة الحرارة والملوحة، مع ذروات العكارة المرتبطة بازدهارات الطحالب الدقيقة. قدمت القياسات المستمرة للإشعاع الشمسي رؤى حول ظروف الضوء التي تؤثر على الميسوكوزم، مما يبرز التفاعل بين العوامل البيئية والنشاط البيولوجي خلال التجربة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية مرافق الميسوكوزم المسيطر عليها في توضيح العمليات البيوجيوكيميائية المعقدة في النظم البيئية البحرية.
DOI: https://doi.org/10.5194/bg-22-7563-2025
Publication Date: 2025-12-03
Author(s): Riaz Bibi et al.
Primary Topic: Marine and coastal ecosystems
Overview
The sea-surface microlayer (SML), a thin layer at the ocean’s surface, is crucial for marine biogeochemical cycles and air-sea interactions, particularly influenced by phytoplankton and surfactants. A multidisciplinary mesocosm study conducted at the Institute of Chemistry and Biology of the Marine Environment in Germany aimed to elucidate the biogeochemical dynamics between the SML and the underlying water (ULW) during a phytoplankton bloom. The study revealed distinct phases of bloom progression, characterized by variations in Chlorophyll a (Chl a) concentrations, and highlighted the dominance of haptophytes, specifically *Emiliania huxleyi*. Notably, the bloom led to increased surfactants and dissolved organic carbon (DOC) in the SML, creating a biofilm-like habitat that enhanced bacterial abundance and altered nutrient dynamics.
The findings underscore the SML’s role as a dynamic biogeochemical reactor, significantly influencing microbial activity and air-sea exchange processes. The post-bloom phase exhibited enriched nutrient concentrations and changes in physical properties, such as increased viscosity and surface coverage, which can suppress gas exchange. These results emphasize the importance of integrating SML dynamics into Earth system models to improve climate predictions and understand ocean-atmosphere interactions. The study advocates for further interdisciplinary research to explore the spatial and temporal variability of SML biogeochemical processes, thereby enhancing our comprehension of its role in the broader ocean-climate system.
Introduction
The introduction discusses the sea surface microlayer (SML), a thin boundary layer between the ocean and atmosphere, characterized by unique biological, chemical, and physical properties due to its exposure to environmental stressors such as UV radiation and nutrient deposition. The SML acts as a heterotrophic microcosm enriched with organic matter (OM) and nutrients, supporting distinct biological communities that contribute to the production and transformation of OM. Notably, it is estimated that 200 Tg C accumulates in the SML annually, with phytoplankton blooms playing a significant role in OM and surfactant production.
The dynamics of surfactants in the SML are complex, influencing gas exchange processes significantly, with reductions in gas exchange rates reported between 2% to 80% in various experimental settings. The SML is also a source of volatile organic compounds (VOCs) and reactive oxygen species, which further affect trace gas emissions. Slick formation, a visible phenomenon resulting from surfactant accumulation, indicates high biological productivity and alters the physical and chemical properties of the SML, impacting marine organic carbon cycling and nutrient fluxes. The Biogeochemical processes and Air-sea exchange in the Sea-Surface microlayer (BASS) research consortium aims to elucidate these processes, focusing on the interactions between the SML and underlying water (ULW) during phytoplankton blooms, hypothesizing that these blooms enhance the formation of an OM-rich SML that influences air-sea gas exchange.
Methods
The mesocosm experiment was conducted over 35 days from May 15 to June 16, 2023, utilizing natural seawater from Jade Bay during a period of low phytoplankton abundance. The experimental setup involved a flow pump operating at 220 m³/h to achieve complete mixing, complemented by a fleece drum filter and pre-treatment with a protein skimmer and UV lamp to reduce particle concentrations and biological activity, resulting in turbidity levels below 20 Nephelometric Turbidity Units (NTU). To minimize turbulent mixing, eight smaller pumps were strategically placed at the basin’s bottom, ensuring a gentle surface current while maintaining water column homogeneity.
A pilot phase from April 26 to May 5, 2023, was conducted to optimize the flow rates and pump arrangements, with continuous monitoring of turbidity and Chlorophyll a (Chl a) to assess homogeneity. Following this, natural seawater was collected and allowed to settle before being introduced to the experimental basin. Initial measurements indicated high Chl a fluorescence, likely due to the preparation process, prompting a two-day settling period before time series measurements commenced on May 18. Throughout the experiment, natural seawater was replenished daily to maintain constant volume, and various in situ measurements were performed to monitor the biological, chemical, physical, and optical characteristics of the water at different depths.
Results
The results of the study indicate a notable shift in phytoplankton biomass, as measured by chlorophyll a (Chl a) concentration, and community composition in response to nutrient variability during the mesocosm experiment. This shift followed a characteristic bloom succession, highlighting the importance of phytoplankton dynamics in the production and distribution of organic matter (OM). The observed synergistic relationship among Chl a, particulate organic carbon (POC), and particulate nitrogen (PN) underscores the critical role of phytoplankton in these processes.
Furthermore, a mismatch between Chl a and surfactant concentrations suggests that phytoplankton’s physiological responses to nutrient stress, particularly in the post-bloom phase, significantly influenced surfactant accumulation in the sea surface microlayer (SML). This accumulation was driven by phytoplankton exudates and the microbial degradation of organic matter. The formation of a distinct SML, enriched with surfactants and OM, created a conducive microbial habitat, resulting in increased bacterial abundance within the SML.
Discussion
The Sea-sURface Facility (SURF) at the Institute of Chemistry and Biology of the Marine Environment in Wilhelmshaven, Germany, serves as a versatile outdoor mesocosm for studying ocean surface biogeochemistry. The facility features a large concrete basin equipped with a retractable polycarbonate roof, seawater pumps, and various pretreatment units to maintain water quality and control environmental conditions. Sampling was conducted systematically to capture diurnal variations in the surface microlayer (SML) and underlying water (ULW), with specific methodologies employed to ensure sample integrity and minimize contamination. Nutrient additions were strategically implemented to stimulate phytoplankton blooms, and a range of biogeochemical parameters were analyzed, including inorganic nutrients, surfactants, dissolved organic carbon (DOC), and phytoplankton pigments.
Statistical analyses revealed significant differences between SML and ULW for various parameters, with non-parametric tests employed due to the non-normal distribution of data. The study utilized a self-organizing map (SOM) to visualize nutrient distribution patterns, confirming the effectiveness of this approach in clustering high-dimensional data. Hydrographic conditions indicated diurnal fluctuations in temperature and salinity, with turbidity peaks correlating with phytoplankton blooms. Continuous measurements of solar irradiance provided insights into the light conditions affecting the mesocosm, highlighting the interplay between environmental factors and biological activity during the experiment. Overall, the findings underscore the importance of controlled mesocosm facilities in elucidating complex biogeochemical processes in marine ecosystems.