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

Nas vastas e ensolaradas camadas superiores do oceano, minúsculas plantas chamadas fitoplâncton crescem e se multiplicam, formando a base da teia alimentar marinha. Quando esses organismos morrem, ou quando animais os comem e produzem dejetos, esse material orgânico afunda como flocos de neve em direção às profundezas escuras. Enquanto cai, bactérias e outros micróbios o decompõem, um processo que consome oxigênio. Na maior parte das partes do oceano, esse oxigênio é rapidamente reposto por correntes e mistura. No entanto, em regiões específicas próximas ao equador, a água é tão estável e o consumo de oxigênio tão intenso que uma espessa camada de água se forma onde o oxigênio é quase inexistente. Os cientistas chamam essas zonas de deficiência de oxigênio. Nesses ambientes escuros e sem ar, um tipo diferente de vida microbiana assume o controle. Em vez de respirar oxigênio, esses micróbios utilizam compostos de nitrogênio para sobreviver, um processo que, por fim, libera gás nitrogênio de volta para a atmosfera. Essa remoção de nitrogênio é uma parte crítica da química do oceano, agindo como um freio em quanto a vida vegetal o oceano pode sustentar globalmente.

Por décadas, cientistas tentaram entender exatamente quanto nitrogênio é perdido nessas zonas e de onde vem o combustível para esse processo. A visão predominante tem sido a de que a perda de nitrogênio é impulsionada quase inteiramente pela matéria orgânica que afunda da superfície ensolarada, como uma chuva constante de plantas e animais mortos caindo do alto. Para medir isso, pesquisadores têm usado tradicionalmente armadilhas de sedimentos de longo prazo que ficam no fundo do oceano ou flutuam em profundidades fixas, coletando esses detritos em queda ao longo de semanas ou meses. No entanto, essas implantações longas frequentemente suavizam os surtos de atividade de curto prazo que podem ser cruciais para o sistema. Além disso, trazer amostras de água dessas zonas profundas e privadas de oxigênio para a superfície para testes é notoriamente difícil; no momento em que a água toca o ar, ela pode ser contaminada com oxigênio, arruinando o delicado equilíbrio químico necessário para estudar os micróbios em seu interior.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Megan Duffy partiu para resolver esses problemas levando o laboratório para o oceano profundo, em vez de trazer o oceano profundo para o laboratório. Eles implantaram um novo tipo de instrumento no leste do Pacífico tropical do norte, lar da maior zona de deficiência de oxigênio do mundo. Esses instrumentos eram armadilhas de sedimentos sofisticadas, de flutuação livre, equipadas com câmaras de incubação. Em vez de apenas coletar partículas em queda, essas armadilhas podiam fechar seus portões em uma profundidade específica, aprisionar a água e as partículas em suspensão dentro delas e, então, injetar um traçador especial para medir a rapidez com que os micróbios estavam convertendo nitrogênio em gás, tudo isso permanecendo sob a pressão fria, escura e livre de oxigênio de seu habitat natural. A equipe realizou esses experimentos ao longo de três cruzeiros distintos em 2017, 2018 e 2019, capturando dados em várias profundidades dentro da camada de privação de oxigênio.

Os resultados revelaram um quadro do oceano muito mais dinâmico e surpreendente do que os modelos padrão previam. Os pesquisadores descobriram que o fluxo de partículas em queda não seguia o declínio suave e previsível que era esperado há décadas. Em vez de simplesmente tornar-se mais ralo conforme caíam mais fundo, a quantidade de matéria orgânica na verdade aumentava em certas profundidades dentro da zona de deficiência de oxigênio. Esse "fluxo invertido" significava que material orgânico fresco estava sendo injetado no meio da zona escura a partir de fontes ali mesmo na água, e não apenas caindo da superfície. A equipe identificou duas principais fontes para essa produção local. Primeiro, no topo da zona de deficiência de oxigênio, uma camada secundária de algas verdes, especificamente um tipo de cianobactéria adaptada à baixa luminosidade, estava crescendo e adicionando material fresco à corrente de queda. Segundo, mais abaixo, animais migrantes como zooplâncton e pequenos peixes estavam se movendo para cima e para baixo através da coluna de água, liberando dejetos e fragmentos que aumentavam a matéria orgânica naquelas profundidades específicas.

Quando os pesquisadores mediram a taxa na qual o gás nitrogênio estava sendo produzido, descobriram que essas fontes locais de matéria orgânica estavam impulsionando o processo mais do que se pensava anteriormente. Os experimentos mostraram que os micróbios vivendo nas partículas em suspensão eram responsáveis por uma parcela massiva da perda de nitrogênio. De fato, as taxas de produção de nitrogênio medidas diretamente dentro do oceano profundo foram maiores do que as medidas em estudos anteriores que dependiam de trazer amostras de água para a superfície. Isso sugere que os métodos tradicionais de amostragem podem ter perdido os pontos mais ativos de vida microbiana, provavelmente porque as grandes partículas que alimentam essas reações afundam rápido demais para serem capturadas em garrafas de amostragem de água padrão. Ao manter as partículas e a água juntas em seu ambiente natural, as novas armadilhas capturaram a verdadeira intensidade da atividade biológica.

O estudo também desafiou a ideia de que a quantidade de nitrogênio perdido está estritamente ligada ao quanto a vida vegetal cresce no topo do oceano. Embora a produtividade da superfície importe, os pesquisadores descobriram que o fluxo de partículas em queda era frequentemente consistente mesmo quando o crescimento na superfície variava drasticamente. Isso ocorre porque o sistema é alimentado não apenas pelo que cai de cima, mas pelo que é criado dentro da própria zona escura. As cianobactérias e os animais migrantes atuam como motores internos, gerando matéria orgânica fresca que mantém os micróbios que removem o nitrogênio alimentados, mesmo quando as águas superficiais estão calmas. Essa descoberta altera a compreensão de como o orçamento de nitrogênio do oceano funciona. Sugere que, à medida que as mudanças climáticas fazem com que essas zonas de deficiência de oxigênio se expandam e se desloquem para novas áreas, o oceano pode continuar a perder nitrogênio em altas taxas, impulsionado por essas fontes internas de alimento, em vez de desacelerar como a produtividade da superfície poderia de outra forma ditar.

Os pesquisadores calcularam a quantidade total de nitrogênio perdido desta região ao longo de um ano com base em suas medições. Eles estimaram que as partículas em queda sozinhas respondem pela perda de cerca de 24,0 teragramas de nitrogênio por ano e, ao incluir os componentes dissolvidos da água, a perda total chega a 40,7 teragramas. Esses números alinham-se estreitamente com estimativas anteriores feitas usando métodos diferentes, dando aos cientistas confiança na nova abordagem. No entanto, a principal lição não é apenas a quantidade total, mas o mecanismo. O estudo prova que o oceano não é um receptor passivo de detritos da superfície; é um sistema ativo e autossustentável onde a vida na escuridão cria seu próprio combustível para impulsionar o ciclo global do nitrogênio. Ao observar o oceano em seu estado natural, sem a perturbação de trazê-lo para a superfície, a equipe forneceu uma visão mais clara e precisa de um dos processos químicos mais importantes do planeta.