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

Nelle vaste e soleggiate acque superficiali dell'oceano, minuscole piante chiamate fitoplancton crescono e si moltiplicano, formando la base della rete alimentare marina. Quando questi organismi muoiono, o quando gli animali li mangiano e producono scarti, questo materiale organico affonda come fiocchi di neve verso le profondità oscure. Mentre cade, batteri e altri microbi lo decompongono, un processo che consuma ossigeno. Nella maggior parte delle parti dell'oceano, questo ossigeno viene rapidamente reintegrato dalle correnti e dal rimescolamento. Tuttavia, in regioni specifiche vicino all'equatore, l'acqua è così stabile e il consumo di ossigeno così intenso che si forma uno strato d'acqua spesso dove l'ossigeno è quasi assente. Gli scienziati chiamano queste zone deficitarie di ossigeno "zone di carenza di ossigeno". In questi ambienti bui e privi d'aria, un tipo diverso di vita microbica prende il sopravvento. Invece di respirare ossigeno, questi microbi utilizzano composti di azoto per sopravvivere, un processo che alla fine rilascia gas di azoto nell'atmosfera. Questa rimozione dell'azoto è una parte critica della chimica oceanica, agendo come un freno su quanta vita vegetale l'oceano possa sostenere a livello globale.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di capire esattamente quanto azoto venga perso in queste zone e da dove provenga il combustibile per questo processo. La visione prevalente è stata che la perdita di azoto sia guidata quasi interamente dalla materia organica che affonda dalle superfici soleggiate, come una pioggia costante di piante e animali morti che cadono dall'alto. Per misurare questo, i ricercatori hanno tradizionalmente utilizzato trappole ancorate a lungo termine che siedono sul fondo dell'oceano o fluttuano a profondità fisse, raccogliendo questi detriti in caduta nell'arco di settimane o mesi. Tuttavia, questi lunghi impieghi spesso smorzano i picchi di attività a breve termine che potrebbero essere cruciali per il sistema. Inoltre, portare campioni d'acqua da queste zone profonde e prive di ossigeno in superficie per l'analisi è notoriamente difficile; nel momento in cui l'acqua tocca l'aria, può contaminarsi con l'ossigeno, rovinando il delicato equilibrio chimico necessario per studiare i microbi al suo interno.

Un team di ricercatori guidato da Megan Duffy si è posto l'obiettivo di risolvere questi problemi portando il laboratorio nelle profondità dell'oceano, invece di portare l'oceano profondo nel laboratorio. Hanno dispiegato un nuovo tipo di strumento nel Pacifico tropicale orientale, sede della più grande zona deficitaria di ossigeno al mondo. Questi strumenti erano trappole per sedimenti sofisticate, a galleggiamento libero e dotate di camere di incubazione. Invece di limitarsi a raccogliere particelle in caduta, queste trappole potevano chiudere i loro cancelli a una specifica profondità, intrappolando l'acqua e le particelle in essa contenute, e poi iniettare un tracciante speciale per misurare quanto velocemente i microbi stessero convertendo l'azoto in gas, il tutto rimanendo nella pressione fredda, buia e priva di ossigeno del loro habitat naturale. Il team ha condotto questi esperimenti durante tre crociere separate nel 2017, 2018 e 2019, catturando dati a varie profondità all'interno dello strato povero di ossigeno.

I risultati hanno rivelato un'immagine dell'oceano molto più dinamica e sorprendente di quanto previsto dai modelli standard. I ricercatori hanno scoperto che il flusso di particelle in caduta non seguiva il declino liscio e prevedibile che ci si aspettava da decenni. Invece di diradarsi semplicemente man mano che affondano più in profondità, la quantità di materia organica aumentava effettivamente ad alcune profondità all'interno della zona deficitaria di ossigeno. Questo "flusso invertito" significava che la materia organica fresca veniva iniettata nel mezzo della zona oscura da fonti presenti proprio lì nell'acqua, piuttosto che cadere solo dalla superficie. Il team ha identificato due fonti principali per questa produzione locale. Primo, alla sommità della zona deficitaria di ossigeno, uno strato secondario di alghe verdi, specificamente un tipo di cianobatteri adattati alla scarsa luce, stava crescendo e aggiungendo materiale fresco al flusso in discesa. Secondo, più in profondità, animali migratori come zooplancton e piccoli pesci si muovevano su e giù attraverso la colonna d'acqua, rilasciando scarti e frammenti che aggiungevano materia organica a quelle specifiche profondità.

Quando i ricercatori hanno misurato il tasso di produzione di gas di azoto, hanno scoperto che queste fonti locali di materia organica guidavano il processo più di quanto si pensasse in precedenza. Gli esperimenti hanno dimostrato che i microbi che vivono sulle particelle in caduta erano responsabili di una porzione massiccia della perdita di azoto. Infatti, i tassi di produzione di azoto misurati direttamente all'interno dell'oceano profondo erano superiori a quelli misurati in studi precedenti che facevano affidamento sul portare i campioni d'acqua in superficie. Ciò suggerisce che i metodi tradizionali di campionamento potrebbero aver mancato i punti caldi più attivi della vita microbica, probabilmente perché le grandi particelle che alimentano queste reazioni affondano troppo velocemente per essere catturate nelle normali bottiglie di campionamento. Mantenendo le particelle e l'acqua insieme nel loro ambiente naturale, le nuove trappole hanno catturato la vera intensità dell'attività biologica.

Lo studio ha anche messo in discussione l'idea che la quantità di azoto perso sia strettamente legata a quanta vita vegetale cresce proprio in superficie nell'oceano. Sebbene la produttività superficiale sia importante, i ricercatori hanno scoperto che il flusso di particelle in caduta era spesso costante anche quando la crescita superficiale variava selvaggiamente. Questo perché il sistema è alimentato non solo da ciò che cade dall'alto, ma da ciò che viene creato all'interno della zona oscura. I cianobatteri e gli animali migratori agiscono come motori interni, generando nuova materia organica che tiene nutriti i microbi che rimuovono l'azoto, anche quando le acque superficiali sono tranquille. Questa scoperta cambia la comprensione di come funziona il bilancio dell'azoto oceanico. Suggerisce che, mentre il cambiamento climatico causa l'espansione e lo spostamento di queste zone deficitarie di ossigeno in nuove aree, l'oceano potrebbe continuare a perdere azoto a ritmi elevati, guidato da queste fonti interne di cibo, piuttosto che rallentare come la produttività superficiale potrebbe altrimenti dettare.

I ricercatori hanno calcolato la quantità totale di azoto perso da questa regione in un anno basandosi sulle loro misurazioni. Hanno stimato che le sole particelle in caduta sono responsabili della perdita di circa 24,0 teragrammi di azoto all'anno e, includendo le componenti disciolte dell'acqua, la perdita totale raggiunge i 40,7 teragrammi. Questi numeri si allineano strettamente con le stime precedenti effettuate utilizzando metodi differenti, dando agli scienziati fiducia nel nuovo approccio. Tuttavia, il punto chiave non è solo la quantità totale, ma il meccanismo. Lo studio dimostra che l'oceano non è un ricevitore passivo di detriti superficiali; è un sistema attivo e autosufficiente dove la vita nel buio crea il proprio combustibile per guidare il ciclo globale dell'azoto. Osservando l'oceano nel suo stato naturale, senza il disturbo di portarlo in superficie, il team ha fornito una visione più chiara e accurata di uno dei processi chimici più importanti del pianeta.