Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps

En las vastas y soleadas capas superiores del océano, diminutas plantas llamadas fitoplancton crecen y se multiplican, formando la base de la red trófica marina. Cuando estos organismos mueren, o cuando los animales los comen y producen desechos, este material orgánico se hunde como copos de nieve hacia las profundidades oscuras. A medida que cae, las bacterias y otros microbios lo descomponen, un proceso que consume oxígeno. En la mayoría de las partes del océano, este oxígeno es rápidamente repuesto por corrientes y mezcla. Sin embargo, en regiones específicas cerca del ecuador, el agua es tan estable y el consumo de oxígeno tan intenso que se forma una espesa capa de agua donde el oxígeno es casi inexistente. Los científicos llaman a estas zonas deficientes de oxígeno. En estos entornos oscuros y sin aire, un tipo diferente de vida microbiana toma el control. En lugar de respirar oxígeno, estos microbios utilizan compuestos de nitrógeno para sobrevivir, un proceso que finalmente libera gas de nitrógeno de vuelta a la atmósfera. Esta eliminación de nitrógeno es una parte crítica de la química del océano, actuando como un freno para cuánta vida vegetal puede soportar el océano globalmente.

Durante décadas, los científicos han intentado comprender exactamente cuánto nitrógeno se pierde en estas zonas y de dónde proviene el combustible para este proceso. La visión predominante ha sido que la pérdida de nitrógeno es impulsada casi por completo por la materia orgánica que se hunde desde la superficie soleada, como una lluvia constante de plantas y animales muertos que caen desde arriba. Para medir esto, los investigadores han utilizado tradicionalmente trampas de sedimentos de larga duración que se asientan en el fondo del océano o flotan a profundidades fijas, recolectando este escombro que cae durante semanas o meses. Sin embargo, estos despliegues prolongados a menudo suavizan los estallidos de actividad a corto plazo que podrían ser cruciales para el sistema. Además, llevar muestras de agua desde estas zonas profundas y privadas de oxígeno a la superficie para su análisis es notablemente difícil; en el momento en que el agua toca el aire, puede contaminarse con oxígeno, arruinando el delicado equilibrio químico necesario para estudiar los microbios en su interior.

Un equipo de investigadores liderado por Megan Duffy se propuso resolver estos problemas tomando el laboratorio al océano profundo, en lugar de traer el océano profundo al laboratorio. Desplegaron un nuevo tipo de instrumento en el Pacífico tropical oriental, hogar de la zona deficiente de oxígeno más grande del mundo. Estos instrumentos eran trampas de sedimentos sofisticadas y de flotación libre equipadas con cámaras de incubación. En lugar de solo recolectar partículas que caen, estas trampas podían cerrar sus compuertas a una profundidad específica, atrapar el agua y las partículas que se hunden en su interior, y luego inyectar un trazador especial para medir qué tan rápido los microbios están convirtiendo el nitrógeno en gas, todo esto mientras permanecían en la presión fría, oscura y sin oxígeno de su hogar natural. El equipo realizó estos experimentos durante tres cruceros distintos en 2017, 2018 y 2019, capturando datos a varias profundidades dentro de la capa carente de oxígeno.

Los resultados revelaron una imagen del océano que era mucho más dinámica y sorprendente de lo que los modelos estándar predecían. Los investigadores descubrieron que el flujo de partículas que se hunden no seguía el descenso suave y predecible que se había esperado durante décadas. En lugar de simplemente volverse más tenue a medida que caían más profundo, la cantidad de materia orgánica de hecho aumentó en ciertas profundidades dentro de la zona deficiente de oxígeno. Este "flujo invertido" significaba que la materia orgánica fresca estaba siendo inyectada en el medio de la zona oscura desde fuentes que se encontraban allí mismo en el agua, en lugar de simplemente caer desde la superficie. El equipo identificó dos fuentes principales para esta producción local. Primero, en la parte superior de la zona deficiente de oxígeno, una capa secundaria de algas verdes, específicamente un tipo de cianobacteria adaptada a la baja luz, estaba creciendo y añadiendo material fresco a la corriente de hundimiento. Segundo, más abajo, animales migratorios como el zooplancton y peces pequeños se movían de arriba abajo a través de la columna de agua, liberando desechos y fragmentos que añadían materia orgánica en esas profundidades específicas.

Cuando los investigadores midieron la tasa a la que se produce el gas de nitrógeno, encontraron que estas fuentes locales de materia orgánica estaban impulsando el proceso más de lo que se pensaba anteriormente. Los experimentos demostraron que los microbios que viven en las partículas que se hunden eran responsables de una parte masiva de la pérdida de nitrógeno. De hecho, las tasas de producción de nitrógeno medidas directamente dentro del océano profundo fueron mayores que las medidas en estudios previos que dependían de llevar muestras de agua a la superficie. Esto sugiere que los métodos tradicionales de muestreo podrían haber pasado por alto los puntos calientes más activos de vida microbiana, probablemente porque las partículas grandes que alimentan estas reacciones se hunden demasiado rápido para ser capturadas en botellas de muestreo de agua estándar. Al mantener las partículas y el agua juntas en su entorno natural, las nuevas trampas capturaron la verdadera intensidad de la actividad biológica.

El estudio también desafió la idea de que la cantidad de nitrógeno perdido está estrictamente ligada a cuánta vida vegetal crece en la parte más superficial del océano. Si bien la productividad superficial importa, los investigadores encontraron que el flujo de partículas que se hunden era a menudo constante incluso cuando el crecimiento superficial variaba drásticamente. Esto se debe a que el sistema es alimentado no solo por lo que cae desde arriba, sino por lo que se crea dentro de la zona oscura. Las cianobacterias y los animales migratorios actúan como motores internos, generando materia orgánica fresca que mantiene alimentados a los microbios que eliminan el nitrógeno, incluso cuando las aguas superficiales están tranquilas. Este descubrimiento cambia la comprensión de cómo funciona el presupuesto de nitrógeno del océano. Sugiere que, a medida que el cambio climático provoca que estas zonas deficientes de oxígeno se expandan y se desplacen hacia nuevas áreas, el océano podría continuar perdiendo nitrógeno a tasas elevadas, impulsado por estas fuentes internas de alimento, en lugar de desacelerar como de otro modo dictaría la productividad superficial.

Los investigadores calcularon la cantidad total de nitrógeno perdido de esta región durante un año basándose en sus mediciones. Estimaron que las partículas que se hunden por sí solas representan la pérdida de aproximadamente 24.0 teragramos de nitrógeno por año, y al incluir los componentes disueltos del agua, la pérdida total alcanza los 40.7 teragramos. Estas cifras se alinean estrechamente con estimaciones anteriores realizadas mediante otros métodos, lo que otorga confianza a los científicos en el nuevo enfoque. Sin embargo, la idea clave no es solo la cantidad total, sino el mecanismo. El estudio demuestra que el océano no es un receptor pasivo de desechos superficiales; es un sistema activo y autosustentable donde la vida en la oscuridad crea su propio combustible para impulsar el ciclo global del nitrógeno. Al observar el océano en su estado natural, sin la perturbación de traerlo a la superficie, el equipo ha proporcionado una visión más clara y precisa de uno de los procesos químicos más importantes del planeta.