Mecanismos de captura microbiana de carbono en el océano - futuras líneas de investigación

Mecanismos de captura microbiana de carbono en el océano - futuras líneas de investigación

Resumen

Este artículo revisa el progreso en la comprensión biológica el secuestro de carbono en el océano con referencia especial a la formación microbiana y la transformación de recalcitrante de carbono orgánico disuelto (RDOC), el carbono microbiano bomba (MCP). Proponemos que RDOC es un concepto con una amplia serie continua de la obstinación. La mayoría de los compuestos RDOC mantienen sus niveles de terquedad sólo en un medio ambiente específico contexto. La piscina del océano también RDOC contiene compuestos que pueden ser inaccesibles a los microbios debido a su extremadamente baja concentración (RDOC). esta diferenciación nos permite apreciar la vinculación entre procedencia y la composición microbiana RDOC en una gama de temporal y escalas espaciales.

Los análisis de biomarcadores y registros isotópicos muestran procesos intensivos de MCP en los océanos proterozoicas cuando el MCP podría haber jugado un papel importante en la regulación del clima. La comprensión dinámica de la MCP en combinación con la bomba biológica más restringida (BP) sobre escalas geológicas de tiempo podrían ayudar a predecir las tendencias futuras del clima. Integración de la MCP y el BP requerirá una nueva investigación, enfoques y oportunidades. Los principales objetivos incluyen la comprensión las interacciones entre el carbono orgánico en partículas (POC) y DOC que contribuyen a la eficiencia de secuestro, y la determinación simultánea de la composición química de carbono orgánico, la composición de la comunidad microbiana y la actividad enzimática. Biomarcadores moleculares trazadores isotrópicos deben ser empleados para vincular los procesos de columna de agua a los registros de sedimentos, así como para vincular observaciones actuales paleo-evolución. Los modelos de ecosistema necesitan ser desarrollados sobre la base de relaciones empíricas derivadas de bioensayo, experimentos e investigaciones de campo con el fin de predecir la dinámica del ciclo de carbono a lo largo de la serie continúa estabilidad de POC y RDOC bajo posibles escenarios de cambio global. Proponemos que el aporte de nutrientes inorgánicos de las aguas costeras puede reducir la capacidad de secuestro de carbono como RDOC. El régimen de nutrientes que permite el almacenamiento de carbono máximo de POC flujo combinado y la formación RDOC debe, por tanto, ser buscado.

Contenido

1 Introducción        

2 La naturaleza y los controles de DOC en el océano        

3 procesamientos RDOC en los océanos actuales y antiguos.        

4 Las interacciones del secuestro entre el POC y DOC.        

5 Impacto de las perturbaciones antropogénicas sobre el secuestro del carbono        

5.1 Importancia para la sociedad        

5.2 suministro de nutrientes        

5.3 La acidificación del océano        

6 Estrategias para la investigación futura para maximizar el almacenamiento de carbono en el océano        

6.1 Seguimiento        

6.2 Contexto ambiental        

6.3 Bioensayos y experimentos de perturbación        

6.4 Mejora de la química analítica y enfoques genómicos        

6.5 modelado del Ecosistema        

6.6 Estrategias para mejorar la retención de carbono        

7. Conclusiones        

1 Introducción

El océano absorbe aproximadamente el 30% del CO2 antropogénico (IPCC, 2013), la mitigación del calentamiento global en un camino profundo. Sin embargo, los mecanismos biológicos de secuestro de carbono en el océano a largo plazo no se comprenden totalmente. La bomba biológica (BP) es el término colectivo para un conjunto de procesos por los cuales el dióxido de carbono que está fijado por el fitoplancton fotosíntesis en la zona eufótica se exporta a las profundidades del océano. Estos procesos incluyen el flujo pasivo de hundimiento partículas orgánicas (las células muertas, pellets fecales, etc.), El flujo activo de material orgánico disuelto y partículas mediada por la migración vertical del zooplancton, y el transporte la vertical de material orgánico disuelto por procesos físicos.

Alrededor del 50% de las partículas producidas fotosintéticamente carbono orgánico (POC) se transforma a través de mecanismos incluyendo la excreción, el pastoreo del zooplancton, lisis viral y la acción de hidrolasas ecto-microbianas en carbono orgánico disuelto (DOC) (Anderson y Tang, 2010). La producción tasa y composición química de esta Materia Orgánica Disuelta (DOM) es influenciada por el estado de nutrientes y composición de la comunidad de la red trófica microbiana. Operativamente DOC se define como todos los compuestos de menos de 0,2 micras de tamaño (Carlson et al., 2002), y por lo tanto incluirá micropartículas (Por ejemplo, fragmentos de pared celular, membranas, virus, etc.) y los metabolitos filtraron / liberados por foto-autótrofos, defecaban por phagoheterotrophs y asociado con la lisis viral de las células huésped. Microbios marinos utilizan fácilmente la mayor parte de esta DOC, la producción de CO2 y, a su vez transformar la composición del DOM. Sin embargo, se estima que <5-7% de los microbios DOC producido es recalcitrante (RDOC) y se resiste a la remineralización rápida (Ogawa et al, 2001; Gruber et al, 2006; Koch et al., 2014), lo que permite que el DOC con destino a continuación la termoclina estacional y secuestrado en el interior de los océanos.

La bomba de carbono microbiano (MCP) (Jiao et al., 2010a) describe los procesos ecológicos y los mecanismos químicos que los productos de RDOC en toda la columna de agua. La capacidad de recuperación de RDOC a la degradación por microbios marinos es un mediador importante del ciclo global del carbono y el depósito marino de carbono. Desde el depósito actual de RDOC es comparable al inventario de CO2 atmosférico (Hansell et al., 2009), el comercio entre los dos depósitos de carbono influiría cambio climático. Por lo tanto, las tasas relativas de POC de exportación, producción de RDOC y la respiración del POC y DOC regulan el ritmo de carbono se almacena en el océano de interior, y pequeños cambios en estas tasas tendrían un importante, potencial y perjudicial, impacto en el CO2 atmosférico.

Si bien numerosos experimentos han evaluado la sensibilidad POC de exportar a los cambios en la estratificación, la mezcla y profundidad de remineralización (Kriest et al, 2010; Romanou et al, 2014), se ha prestado poca atención a los factores ambientales y perturbaciones antropogénicas, como la acidificación de los océanos (OA) y la eutrofización, que puede controlar las tasas de producción y transformación RDOC. Dado que gran abundancia y diversidad de microbios (que van desde autótrofos, heterótrofos y procariotas a través de atofotos y protistas phagoheterotrophic), la complejidad microbiana de los ecosistemas y la sensibilidad de los microbios para el medio ambiente cambio, los pequeños cambios en la eficiencia metabólica microbiana potencialmente pueden causar grandes cambios en el secuestro de carbono (Mitra et al., 2014). Sin comprender plenamente los procesos microbianos, corremos el riesgo con vistas a una retroalimentación fundamental del general sistema que es causado por una perturbación aparentemente menor de un proceso individual. La producción y transformación de RDOC es intrincadamente vinculada con la producción y transformación de POC; así es oportuno para investigar estas interacciones. si es desconocido el ciclo de los POC y DOC podría interactuar para mejorar o disminuir sus efectos individuales, pero es posible que las perturbaciones tales como la eutrofización o aumento de la temperatura pudiera causar un cambio en el equilibrio de la captura de carbono disuelto a través frente formas de partículas. En adición, su respuesta combinada a las condiciones ambientales puede ser regulados de manera diferente en diferentes condiciones, por ejemplo, en aguas costeras eutróficas en comparación con aguas oceánicas oligotróficas.

Se requiere un esfuerzo multidisciplinario para abordar estos desafíos. Con este fin, el programa internacional IGBP / SCOR Integrado Biogeoquímica y ecosistema marino Investigación (IMBER), convocó a un taller titulado "El impacto de las perturbaciones antropogénicas sobre el secuestro del carbono l a través del océano abierto en las fases disueltas y partículas de la bomba biológica de carbono ", en la conferencia imbizo III en Goa, India, en enero de 2013. Los ecologistas, microbianos, marinos, biogeoquímicos, químicos orgánicos, los climatólogos, la pesca científicos y economistas presentaron una investigación reciente sobre las bombas de carbono biológicas y microbianas, discuten el futuro y la investigación en ciencias sociales y naturales necesitan integrar y POC investigación DOC, y una lluvia de ideas para comprender mejor los mecanismos de almacenamiento microbiana de carbono del océano.

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