DNRA stimulates aerobic microbial processes and restructures the surface planktonic community in the Chilean OMZ
चिली के तटीय ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र (Oxygen Minimum Zone) के एक जैव-भू-रासायनिक मॉडल में डिसिमिलेटरी नाइट्रेट रिडक्शन टू अमोनियम (DNRA) को एकीकृत करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि जबकि DNRA मुख्य रूप से नाइट्रोजन को न्यूनतम ऑक्सीजन प्रभाव के साथ पुनर्चक्रण की ओर पुनर्निर्देशित करता है, यह अप्रत्याशित रूप से उन्नत नाइट्रीकरण के माध्यम से नाइट्राइट और अमोनियम सांद्रता को कम कर देता है, जिससे सतह के जल में बड़े फाइटोप्लांकटन और जूप्लांकटन की वृद्धि को प्रोत्साहन मिलता है।
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महासागर पानी का कोई स्थिर कुंड नहीं है, बल्कि पोषक तत्वों की गति से चलने वाला एक विशाल, जीवंत इंजन है। इस इंजन के केंद्र में नाइट्रोजन स्थित है, जो एक रासायनिक तत्व है जो समुद्री जीवन के लिए अनिवार्य है, सूक्ष्म एककोशिकीय शैवाल से लेकर विशाल व्हेल तक। दुनिया के कई हिस्सों में, महासागर नाइट्रोजन के लिए भूखा है, और इसकी उपलब्धता ही यह तय करती है कि समुद्र कितना जीवन सहारा दे सकता है। हालाँकि, ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्रों (Oxygen Minimum Zones) के रूप में ज्ञात विशिष्ट क्षेत्रों में, कहानी अधिक जटिल हो जाती है। ये पानी की गहरी परतें हैं जहाँ ऑक्सीजन की खपत उसकी प्रतिस्थापन दर से अधिक तेजी से होती है, जिससे एक लगभग दम घोंटने वाला वातावरण बन जाता है। इन अंधेरे, कम ऑक्सीजन वाले क्षेत्रों में, नियमों का एक अलग सेट लागू होता है। यहाँ सूक्ष्मजीव (microbes) नियंत्रण लेते हैं, और बिना ऑक्सीजन के जैविक पदार्थ को तोड़ते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो अक्सर महासागर को उसके उपयोगी नाइट्रोजन से वंचित कर देती है, जिससे यह एक गैस में बदल जाता है जो वायुमंडल में निकल जाती है। दशकों तक, वैज्ञानिक मानते थे कि ये क्षेत्र मुख्य रूप से उन स्थानों के रूप में थे जहाँ नाइट्रोजन हमेशा के लिए खो जाता था, जो एक जैविक मृत अंत (biological dead end) था जिसने महासागर की उत्पादकता को सीमित कर दिया।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट सूक्ष्मजीवी प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित करके इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती दी है, जिसे 'डिसिमिलिटरी नाइट्रेट रिडक्शन टू अमोनियम' (DNRA) कहा जाता है। हालाँकि यह नाम तकनीकी लगता है, लेकिन इसकी क्रियाविधि सरल है: ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में, कुछ बैक्टीरिया नाइट्रेट (नाइट्रोजन का एक रूप) को सीधे अमोनियम (नाइट्रोजन का एक अन्य रूप) में परिवर्तित कर देते हैं, जिसका उपयोग पौधे कर सकते हैं। अन्य प्रक्रियाओं के विपरीत जो नाइट्रोजन को सिस्टम से बाहर निकाल देती हैं, DNRA इसे चक्रित रखता है। मध्य चिली के तटीय जल का एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर, जो पृथ्वी के सबसे तीव्र ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्रों में से एक का घर है, वैज्ञानिकों ने सिम्युलेट किया कि जब यह पुनर्चक्रण प्रक्रिया सक्रिय होती है तो क्या होता है। उन्होंने पाया कि DNRA केवल पानी में अमोनियम की मात्रा नहीं बढ़ाता है; इसके बजाय, यह एक ऐसी श्रृंखला अभिक्रिया को सक्रिय करता है जो पूरे पारिस्थितिकी तंत्र को मौलिक रूप से पुनर्गठित कर देता है, जिससे नाइट्रोजन हानि के क्षेत्र को नाइट्रोजन संरक्षण और आश्चर्यजनक नए विकास के क्षेत्र में बदल दिया जाता है।
शोधकर्ताओं ने चिली के तट का एक 'डिजिटल ट्विन' बनाया, जो एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ गहरा, पोषक तत्वों से भरपूर पानी गहराई से ऊपर उठता है, जिससे प्लवक (plankton) के विशाल उभार को ईंधन मिलता है। उन्होंने इस मॉडल को DNRA प्रक्रिया को शामिल करने के लिए प्रोग्राम किया, जिसे वास्तविक महासागर में देखा गया था लेकिन कभी भी बड़े पैमाने के सिमुलेशन में पूरी तरह से एकीकृत नहीं किया गया था। फिर उन्होंने दो परिदृश्य चलाए: एक जहाँ DNRA अनुपस्थित था, जो यह दर्शाता था कि ये जल क्षेत्र पारंपरिक रूप से कैसे कार्य करते हैं, और दूसरा जहाँ DNRA सक्रिय था। परिणाम अप्रत्याशित थे। वैज्ञानिकों को उम्मीद थी कि अधिक अमोनियम का उत्पादन करके, DNRA केवल पानी में इस पोषक तत्व की सांद्रता को बढ़ा देगा। इसके बजाय, मॉडल ने दिखाया कि DNRA की उपस्थिति के कारण अमोनियम और नाइट्राइट दोनों के स्तर में क्रमशः दो और पांच गुना की महत्वपूर्ण गिरावट आई, जो नियंत्रण रन की तुलना में थी।
यह विरोधाभास इसलिए उत्पन्न हुआ क्योंकि DNRA द्वारा उत्पादित अमोनियम को तुरंत सूक्ष्मजीवों के एक अलग समूह द्वारा पकड़ लिया गया: नाइट्रीफाइंग बैक्टीरिया। ये वायवीय (aerobic) जीव, जिन्हें ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, नए बनाए गए अमोनियम को तेजी से वापस नाइट्रेट में ऑक्सीकृत करते हैं। इससे एक सटीक, कुशल लूप बन गया जहाँ नाइट्रोजन लगातार विभिन्न रासायनिक रूपों के बीच पुनर्चक्रित होती रहती है, न कि संचित होती या बाहर निकलती है। इस तीव्र पुनर्चक्रण से प्राप्त नाइट्रेट को समुद्री धाराओं द्वारा सूर्य के प्रकाश वाले ऊपरी परत की ओर ले जाया गया। वहाँ, इसने एक शक्तिशाली उर्वरक के रूप में कार्य किया, लेकिन एक मोड़ के साथ। अतिरिक्त नाइट्रेट ने उन छोटे, एककोशिकीय शैवालों को नहीं खिलाया जो आमतौर पर इन जलों में हावी रहते हैं। इसके बजाय, इसने बड़े फाइटोप्लांकटन, जैसे कि डायटम्स (diatoms) के विकास को बढ़ावा दिया, जो एक अधिक जटिल खाद्य जाल के निर्माण खंड हैं।
खाद्य जाल के आधार में यह बदलाव ऊपर की ओर लहरों की तरह फैला। जैसे-जैसे बड़े फाइटोप्लांकटन फले-फूले, उन्होंने बड़े ज़ोप्लांकटन (zooplankton) के उछाल का समर्थन किया, जो उन पर निर्भर रहने वाले सूक्ष्म क्रस्टेशियंस हैं। इसके विपरीत, छोटे फाइटोप्लांकटन और छोटे ज़ोप्लांकटन की आबादी में गिरावट आई। मॉडल ने खुलासा किया कि पूरा पारिस्थितिकी तंत्र इस नए पोषक तत्व प्रवाह के इर्द-गिर्द खुद को पुनर्गठित कर रहा था। इस प्रक्रिया ने नाइट्रोजन हानि के संतुलन को भी बदल दिया। DNRA के बिना पारंपरिक परिदृश्य में, महासागर निश्चित मात्रा में नाइट्रोजन को उन प्रक्रियाओं के माध्यम से खो देता था जो इसे गैस में परिवर्तित करती हैं। DNRA सक्रिय होने पर, इन हानि मार्गों को दबा दिया गया। पोषक तत्वों के लिए प्रतिस्पर्धा का अर्थ था कि उन बैक्टीरिया के लिए कम नाइट्रोजन उपलब्ध थी जो इसे सिस्टम से छीन लेते हैं, जिससे प्रभावी रूप से नाइट्रोजन को महासागर के खाद्य जाल के भीतर कैद कर दिया गया और इसे एक बार फिर जीवन के लिए उपलब्ध बनाया गया।
अध्ययन ने इस जैविक नृत्य में भौतिक समुद्री धाराओं की महत्वपूर्ण भूमिका को भी रेखांकित किया। हवा और पृथ्वी के घूर्णन द्वारा संचालित पानी की ऊपर की ओर गति, पुनर्चक्रित नाइट्रेट को गहरे, ऑक्सीजन की कमी वाले स्तरों से सतह तक ले गई। यह भौतिक परिवहन वह सेतु था जिसने गहरे सूक्ष्मजीवी गतिविधि को सतह के पारिस्थितिकी तंत्र को प्रभावित करने की अनुमति दी। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह जुड़ाव सुदृढ़ था; यहाँ तक कि जब उन्होंने अपने मॉडल के मापदंडों को इस बात को ध्यान में रखते हुए समायोजित किया कि बैक्टीरिया कितनी तेजी से काम करते हैं या प्रक्रिया को सक्रिय करने के लिए वास्तव में कितनी कम ऑक्सीजन की आवश्यकता है, तो मुख्य परिणाम वही रहा। प्रणाली लगातार नाइट्रोजन संरक्षण की स्थिति की ओर स्थानांतरित हुई, जिसमें गहरे पुनर्चक्रण प्रक्रिया ने सतह की उत्पादकता को उत्तेजित किया।
ये निष्कर्ष सुझाव देते हैं कि ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्रों की क्लासिक तस्वीर, जो केवल नाइट्रोजन हानि के रेगिस्तान के रूप में देखी जाती है, अधूरी हो सकती है। उन क्षेत्रों में जहाँ DNRA सक्रिय है, ये क्षेत्र आंतरिक पुनर्चक्रण के इंजन के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो पहले की तुलना में उच्च स्तर की उत्पादकता को बनाए रखते हैं। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने वैश्विक नाइट्रोजन चक्र के पूरे रहस्य को सुलझा लिया है, न ही यह सुझाव देता है कि यह प्रक्रिया हर जगह होती है। हालाँकि, यह एक सम्मोहक सिमुलेशन-आधारित तर्क प्रदान करता है कि DNRA को अनदेखा करने से महासागर में रिटेन (रक्षित) नाइट्रोजन की मात्रा और खाद्य जाल की संरचना का काफी कम आकलन होता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनका कार्य वास्तविक महासागर में अधिक बार और विस्तृत माप लेने की आवश्यकता की ओर संकेत करता है, विशेष रूप से सतह और गहरे पानी दोनों में अमोनियम के स्तरों के, ताकि यह पुष्टि की जा सके कि प्रकृति ठीक वैसे ही व्यवहार करती है जैसा उनका डिजिटल मॉडल भविष्यवाणी करता है। गहरे समुद्र से सतह तक जीवन की प्रचुरता को नया आकार देने वाली एक सूक्ष्म प्रक्रिया को उजागर करके, यह अध्ययन महासागर की जटिल, परस्पर जुड़ी मशीनरी को देखने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।
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