A tudósok nyomon követik a foszfátot, hogy jobban megértsék a globális felmelegedést

A tudósok nyomon követik a foszfátot, hogy jobban megértsék a globális felmelegedést
A tudósok nyomon követik a foszfátot, hogy jobban megértsék a globális felmelegedést
Anonim

Rázzon meg egy hógömböt, és a tiszta égbolt hóviharrá változik a kezedben. A Föld hasonlóan zárt rendszer, a talajban végbemenő kémiai reakciók hatással vannak az égboltban és a tengerekben végbemenő kémiai reakciókra. A kémia a sors.

A fejlett technológiák és módszerek segítségével a tudósok új pillantást vethetnek a Föld egyik legnagyobb mennyiségben előforduló elemére – a foszforra –, hogy jobban megértsék, hogyan kering a talajon, a tengeren és az élő szervezeteken keresztül. A foszfor nélkülözhetetlen tápanyag minden szervezet számára, beleértve a növényeket is, amelyek fotoszintézis révén eltávolítják a légkörből a szén-dioxidot - a globális felmelegedésért leginkább felelős üvegházhatású gázt -, és szerves anyagokká kötik meg.A foszfor kulcsszerepet játszik az olyan biológiailag esszenciális elemek körforgásában is, mint a nitrogén, az oxigén és a kén. Az elemzési korlátok miatt a közelmúltig keveset tudtak a foszforciklusról.

"Annál a szakasznál tartunk, ahol újabb ugrást tehetünk a foszfátciklussal kapcsolatos ismereteinkben, mivel rendelkezésre áll az új technológia és a természetes rendszerekben alkalmazható új módszerek" - mondja Adina Paytan, adjunktus Stanford Földtani és Környezettudományi Tanszékén. Paytan különleges ülést tart december 15-én a Stanford posztdoktori tudósával, Barbara Cade-Menunnal az Amerikai Geofizikai Unió (AGU), egy több mint 35 000 tagot számláló nemzetközi tudományos társaság idei San Franciscó-i találkozóján, amelynek célja a Föld megértésének elősegítése. és környezete.

Az új technológiák és módszerek lehetővé teszik a tudósok számára, hogy jellemezzék a foszforvegyületeket a vízben és a talajban, megbecsüljék a foszfát körforgásának sebességét a természetes tározókban, megbecsüljék a foszfor hosszú távú eltemetését az óceánokban a geológiai időn keresztül, és pontosan meghatározzák a foszforforrásokat a különböző ökoszisztémákban, meghatározott időpontokban és helyeken a foszfátkoncentráció ingadozásának meghatározása, valamint a torkolatok és tavak foszforszennyezésének hatásainak vizsgálata.

Az elmúlt években a hagyományosan geológiának és geofizikának szentelt AGU találkozókon egyre gyakrabban szerepeltek biológiával kapcsolatos témák. Az idei találkozó azonban az első, amelyen a „biogeotudományok” hivatalos rovatként szerepelnek. Az új címsor egy interdiszciplináris területet ír le, amely a Föld rendszerét egészként kezeli, és megpróbálja megérteni a légkör (levegő), a hidroszféra (víz), a bioszféra (élet) és a litoszféra (kőzet) közötti kapcsolatokat és kölcsönhatásokat. Arra is kísérletet tesz, hogy értékelje az emberi hatást a rendszerre.

A foszfor kulcsfontosságú az életben, mint a nukleinsavak, fehérjék és lipidek építőköve. Az adenozin-trifoszfát (ATP) és a nikotinamid-adenozin-dinukleotid-foszfát (NADP) alkotórésze, olyan molekulák, amelyek energiát adnak át az élő rendszerekben. A fotoszintézis során a növények ATP-t és NADP-t használnak a nap energiájának hasznosítására, hogy a légköri szén-dioxidot és vizet cukorrá és oxigénné alakítsák. A fotoszintézis révén az algákhoz hasonló apró és a vörösfenyőkhöz hasonló méretű szervezetek a felesleges szén-dioxidot elnyelő globális „nyelő” részévé válnak.Az emberi tevékenység által viszonylag nem befolyásolt ökoszisztémákban a növények növekedését korlátozhatja a foszfor és/vagy nitrogén elérhetősége.

A legtöbb foszfor a kőzetekben található, ahol az ásványi anyagokhoz kötődik. Ezekben az ásványokban általában foszfátként létezik – ez egy foszforatom, amely négy oxigénatomhoz kötődik. Az időjárás hatására foszfor kerül a talajba, ahol a növények és baktériumok hasznosítják és újrahasznosítják. A foszfor végül a patakokon keresztül az óceánokba és a tengeri üledékekbe jut.

Egy "ünnep vagy éhínség" elem, a foszfor egyenlőtlenül oszlik el a Földön, túl sok az észak-amerikai és európai talajokban és néhány part menti torkolatban, és nem elegendő a trópusok, a szubszaharai Afrika és Dél-Amerika talajaiban. és a nyílt óceánon.

Bár a foszfor szükséges, a túl sok jó dolog rossz is lehet. A műtrágyákból, tisztítószerekből és más emberi forrásokból származó foszfátfelesleg a tavakba és a part menti vizekbe kerül elfolyás, kimosódás vagy erózió révén, hatalmas algavirágzást okozva, ami befolyásolhatja az ivóvíz ízét és tisztaságát.Ezenkívül, amikor az algák elpusztulnak, a vastag párnák a fenékre süllyednek és oxidálódnak, csökkentve az oldott oxigént, és a halak számára barátságtalan környezetet teremtenek.

A túl kevés foszfor is probléma. A régi, mállott talajokban és az óceáni ökoszisztémákban a növényeknek elegendő nitrátjuk van (egy másik tápanyag, amelynek hiánya korlátozza a növekedést), de nincs elegendő foszforjuk. A termés betakarítása kimerítheti a foszfort a mezőgazdasági területekről, és a régi, mállott talajok szorosan megragadják a foszfátot, ami csökkenti a foszfát hozzáférhetőségét a növények számára. A legtöbb foszfát műtrágya kőzet-foszfátból származik – ez egy nem megújuló erőforrás. "A szerves műtrágyák helyettesíthetik ezt a forrást, de tudnunk kell a foszfor elérhető formáit, és tudnunk kell, hogy milyen gyorsan forognak át" - mondja Cade-Menun, aki a talajban keringő foszfort tanulmányozza.

Cade-Menun a foszfor körforgását tanulmányozza a mérsékelt égövi erdőkben, beleértve a Sierra Nevada meleg, száraz erdeit és a Csendes-óceán északnyugati részének hűvös, nedves esőerdeit. A hagyományos analitikai technikák mellett mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiát használ az erdőkben elterjedt foszforvegyületek fajtáinak és mennyiségének azonosítására.Együttműködik a Paytannal, hogy a talajra vonatkozó technikákat adaptálja az óceáni üledékcsapdák mintáihoz, hogy nyomon követhesse, mely vegyületek bomlanak le először, visszaengedve foszforjukat a vízbe, és elérhetővé téve azt az élőlények számára.

"A nitrogénnel ellentétben keveset tudunk bizonyos szervezeteknek a talaj foszforciklusában betöltött szerepéről" - mondja Cade-Menun. "Úgy gondolom, izgalmas lenne az NMR-spektroszkópiával feltárt foszforformákat visszakapcsolni az azokat termelő talajszervezetekkel, és a specifikus enzimtermelést összekapcsolni ezen foszforformák átalakulásával."

Cade-Menun is érdeklődik az erdészetben alkalmazott földgazdálkodási gyakorlatok, mint például a tarvágás és a vágás, a talaj tápanyagdinamikájára gyakorolt ​​hatása: "A British Columbia part menti erdőiben végzett Ph.D. munkám azt mutatta, hogy a vágás során a tűz, mint erős mineralizáló szer, a talaj foszforjának nagy részét szervesből szervetlen formává alakította.. Ebben a nagy csapadéktartalmú környezetben, ahol a természetes erdőtüzek ritkán fordulnak elő, a foszfor elzáródott, és az újratelepített fák számára elérhetetlenné vált, ami foszforhiányok a talaj magas összfoszforkoncentrációja ellenére.De a szárazabb ökoszisztémákban, például Sierra Nevadában, ahol rendszeresen előfordul tűz, ez fontos eszköz lehet a foszfor visszajuttatására a növények számára elérhető formákban."

Míg Cade-Menun a szárazföldi rendszereket tanulmányozza, Paytan, a tengeri biogeokémikus a szilárd Föld és az óceánok közötti bensőséges kölcsönhatásokat vizsgálja biogeokémiai ciklusokon keresztül, amelyek hatással vannak a globális környezetre és az éghajlatra.

A National Science Foundation által finanszírozott munkája a jelen és a múlt foszforciklusaira összpontosít. A kerékpározás tanulmányozása érdekében a mai óceánokban különböző évszakokban kutatóhajókra száll, és vízmintákat gyűjt különböző óceáni régiókból és mélységekből. Vízmintákat is szerez Rob Dunbar professzortól (geológiai és környezettudományok) és Kevin Arrigo adjunktustól (geofizika), akik a Stanford új óceántudományi programjának oktatói.

A múlt foszfátciklusainak tanulmányozása értékes támpontokat adhat a jövőről.Annak érdekében, hogy megtudja, hogyan keringett át a foszfor az óceánokon évmilliókkal ezelőtt, Paytan kutatóhajókra száll a Monterey Bay Aquarium Research Institute tudósaival, hogy mintákat gyűjtsenek a tengeri üledékekben megőrzött foszfátból. Ezenkívül mintákat szerez az Ocean Drilling Program központi tárházából, amely egy nemzetközi program, amelyet részben a National Science Foundation finanszíroz. Kristina Faul posztdoktori tudós tavasszal csatlakozik Paytan laboratóriumához, hogy továbbvigye ezeket a tanulmányokat.

"A tengeri üledékek kémiájából sok mindent elmondhat a tengervíz kémiájáról, arról, hogy hol csapódtak ki az anyagok, a biológiáról, a keringésről" - mondja Paytan. "A múltbeli óceánokkal kapcsolatos összes információ alapvetően az üledékekből származik. Ha rövidebb időskálákat néz, természetesen más archívumok is vannak, például korallok, fagyűrűk, jégmagok, barlangok és tavak lelőhelyei. De hosszabb ideig időskálán kell mennie a tengeri üledékekhez."

Az üledékek kémiai jeleit olvasva Paytan megpróbálja összefüggésbe hozni az ősi óceán foszfáttemetését az ókori légkör szén-dioxid szintjével.Azt szeretné tudni például, hogy a Himalája időjárása, amely potenciálisan sok foszfátot szállított át a kontinensekről az óceánokba, a fotoszintézis növekedéséhez vezetett-e, és hogy ez hozzájárult-e a szén-dioxid szintjének csökkentéséhez légkör. Az ősi foszforciklus természetes ingadozásainak következményeinek megértésével Paytan azt reméli, hogy megértheti, hogy a mai hasonló ingadozások hogyan befolyásolhatják a modern éghajlatot.

Karen McLaughlin stanfordi végzős hallgatóval, valamint Carol Kendall és Steve Silva kutatókkal, a kaliforniai Menlo Parkban található US Geological Survey munkatársaival Paytan fejlett technikákkal, köztük oxigénizotóp-analízissel elemzi a foszfátokat. Az izotópok egy kémiai elem azonos rendszámú és közel azonos kémiai viselkedésű, de eltérő atomtömegű atomjai. Az oxigénnek számos természetben előforduló stabil izotópja van - 16O, 17O és 18O. A tömegkülönbségek miatt a foszfátban lévő oxigén egyes izotópjai hajlamosak különböző sebességgel részt venni a biokémiai reakciókban, ami izotópfrakcionálódást (az izotópok reaktánsok és termékek közötti megoszlását) eredményezi.

A foszfor-oxigén kötés olyan erős, hogy ellenáll a felszakadásnak a Föld felszíni hőmérsékleti tartományában. De amikor egy foszfortartalmú vegyület biológiai környezetben, például sejtben találja magát, az enzimek könnyen közvetítik ennek a kötésnek a felbomlását, és a foszfát oxigénizotópjai kicserélődnek a környező vízben lévő oxigénnel. Ez a csere hőmérsékletfüggő. Ez azt jelenti, hogy a tudósok megvizsgálhatják az oxigénizotóp-arány változásait, és információkat szerezhetnek a foszfát körforgásáról és a víz hőmérsékletéről, amelyben egy ősi tengeri élőlény élt. Izotópos arányukat tekintve az élőlények nem azt jelentik, hogy mit esznek, hanem azt, amit isznak, valamint az ital hőmérsékletét.

Végül Paytan és Dr. Ken Caldeira, a Lawrence Livermore National Laboratory munkatársa laboratóriumi és terepi adatokat szeretne felhasználni egy olyan modell felépítéséhez, amely leírja a foszfor körforgását az óceánban. És egy nap a tengeri kerékpározást kutató foszfortudósok együttműködhetnek a földi kerékpározást tanulmányozókkal, hogy „nagy képet” alkossanak a foszfor, sőt a kapcsolódó elemek, például a szén és a nitrogén egész bolygóra kiterjedő körforgásáról.

Ez az AGU ülés a tengeri és szárazföldi foszforkutatók első hivatalos találkozója. Ez a kis lépés azonban óriási ugrásokhoz vezethet a megértés terén, amelyek az erdészettől a globális felmelegedésig terjedő területeken alakítják a közpolitikát.

A Föld összetett kémiai ciklusainak jobb tudományos megértése nem jöhetett volna túl korán. Gondoljunk arra, hogy 2000. november 25-én a tárgyalások megszakadtak a tisztviselők között, akik megpróbálták az utolsó simításokat a Kiotói Jegyzőkönyvön, egy 1997-es szerződésen, amelyet több mint 170 ország dolgozott ki az üvegházhatású gázok csökkentésére. A fő ok: tartós nézeteltérés a fák és a kezelt termőföldek szén-dioxid-elnyelő „nyelőként” szerepével kapcsolatban.

Kapcsolódó linkek:

Amerikai Geofizikai Unió:

Óceánfúrási program:

Népszerű téma

Érdekes cikkek
Rólunk
Olvass tovább

Rólunk

A fishcustomaquariums.com webhelyről

Kapcsolatok
Olvass tovább

Kapcsolatok

A fishcustomaquariums.com oldal elérhetőségei

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei
Olvass tovább

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei

A fishcustomaquariums.com adatvédelmi irányelvei