地球上最微小的生物之一，以及它们微小的废物，可能在应对气候变化的斗争中发挥至关重要的作用。一项新的研究显示，将粘土粉末喷洒到海洋表面，可以将浮动的碳颗粒转化为浮游动物的营养。随后，这些微小的动物会在深海中排泄富含碳的废物。这些碳颗粒来源于海洋植物吸收的二氧化碳，当植物死亡时，这些碳会重新释放到大气中。这种创新的技术将碳重新导入海洋食物链。
一项由达特茅斯大学领导的研究提出了一种新颖的方法，通过将二氧化碳转化为浮游动物的食物来源，帮助应对气候变化，浮游动物会消耗、消化并将其作为富含碳的废物排泄到深海中。
该方法利用这些生物的旺盛食欲，增强海洋从大气中去除碳的自然过程，称为生物泵，正如发表在《自然科学报告》上的论文所指出的那样。
这一过程始于在藻类丰度结束时将粘土粉末喷洒到海洋的表面。这些藻类丰度可能覆盖广阔的区域，每年可以固定约1500亿吨二氧化碳，将其转化为有机碳颗粒。然而，一旦藻类丰度死亡，海洋细菌会消耗这些颗粒，使大部分捕获的碳又回到大气中。
研究人员发现，粘土粉末在碳颗粒还未逃逸到大气中之前就能与其结合，以小而粘的颗粒形态把它们引导到海洋食物链中，这些颗粒被浮游动物热切地消费，随后在更深处被排泄。
“通常情况下，只有少量在表面捕获的碳能够到达深海进行长期储存，”本研究的主要作者、地球科学教授穆库尔·香玛解释道。他在华盛顿特区的美国地球物理学联合会年会上于12月10日分享了这些发现。
“我们方法的独特之处在于利用粘土提高生物泵的效率——浮游动物创造的富含粘土的废物下沉更快，”香玛补充道，他因该项目在2020年获得古根海姆奖。
“这些微小的生物专门用来消费颗粒物质。我们的实验表明，它们无法区分是消费粘土和浮游植物还是仅仅是浮游植物——它们只是吃掉它，”他表示。“然后，排泄在几百米深处的碳也被深埋。”
研究小组对2023年在缅因州海湾进行的藻类丰度的海水样本进行了实验。他们发现，当粘土粘附在随着丰度消亡释放的有机碳上时，会促使海洋细菌分泌一种胶水，使粘土和有机碳形成被称为絮团的小团块。
研究人员表示，这些絮团成为浮游动物的日常食物供应。被消化后，絮团嵌入动物的粪便中，沉入更深的水域，并可能在适合长期储存的深度固定碳。此外，未被吃掉的粘土-碳聚集物也会下沉，在下沉过程中随着其收集更多有机碳（包括死去的浮游植物）的过程中增大，正如研究观察到的那样。
在他们的实验中，粘土粉末捕获了高达50%从死去的浮游植物释放出的碳，避免它有机会逃逸到水中。此外，加入粘土使粘附性有机颗粒的浓度增加了十倍——这些颗粒在下沉时会吸收更多的碳。同时，研究人员注意到，在用粘土处理的海水中，导致碳释放到大气中的细菌数量显著下降。
香玛表示，这些絮团在被称为海洋雪的生物泵中发挥着至关重要的作用。海洋雪指的是从表面不断降落的有机残骸、矿物质和其他材料，滋养更深的水域。
“我们生成的海洋雪可以通过显著附着一混合的粘土矿物质更快速地封存碳，”香玛指出。
浮游动物通过其无尽的食欲和称为日夜垂直迁移的显著日常运动进一步加速了这一过程。在夜幕的掩护下，这些生物（约三十分之一英寸长）从深海上升数百、甚至数千英尺，前往富含营养的表层水域觅食。这一规模可以与整个城镇晚上为了在他们最爱的餐厅用餐而进行几百英里的长途跋涉相提并论。
白天到来时，这些动物将含有絮团的废物排放到更深的水域。这一迅速的过程被称为主动运输，显著减少了碳沉降至更深层所需的时间。
今年早些时候，联合作者马纳西·德赛展示了一项与香玛和另一位联合作者、大梅因大洋科学实验室的高级研究科学家和浮游动物生态学家大卫·菲尔德斯共同开展的项目。他们的研究结果确认，浮游动物消耗和排泄的粘土絮团确实下沉更快。德赛曾是香玛实验室的技术员，现在是菲尔德斯团队的一员。
香玛计划通过喷洒粘土到南加州海岸的浮游植物丰度上，在现场测试这种方法，使用作物喷洒飞机。他旨在利用设置在不同离岸深度的传感器来监测不同浮游动物种类与粘土-碳絮团的互动，从而使研究小组优化这一方法的投放时机和地点，并准确测量有多少碳被封存到深处。
“确定适合此工作的海洋条件至关重要。我们不能随意散播粘土，”香玛强调。“我们需要全面了解其在不同深度的效率，以便确定最佳地点来启动这个过程，然后再广泛实施。我们仍然处于初始阶段。”
除了德赛和菲尔德斯，香玛还与本研究的主要作者之一、目前在巴黎索邦大学担任玛丽·居里研究员的博士后研究员迪克沙·香玛，以及最近获得达特茅斯大学学位的维尼什·梅农合作，后者目前在瑞典哥德堡大学攻读博士学位。
该研究的其他贡献者包括乔治·奥图尔，达特茅斯大学盖塞尔医学院的微生物学和免疫学教授，负责海水样本中细菌的培养和基因分析；丹妮尔·纽，拥有达特茅斯大学的地球科学博士学位，目前在马里兰大学担任助理临床教授；埃莉诺·贝茨，2020年达特茅斯大学毕业生，目前是夏威夷大学马诺阿分校的博士生；安妮·坎德尔，香玛实验室的前技术员；以及埃里克·金泽，田纳西大学微生物学副教授，专注于海洋细菌。
