Bardzo interesujące są dwie prace, w których kluczową rolę odgrywa minerały żelaza. Okazuje się, że ten pierwiastek chemiczny działa niczym „ochroniarz” organicznego węgla w stabilnej zmarzlinie. Jednak są dwa przypadki, w których jest przyczyną emisji dwutlenku węgla, powstałego z utlenienia węgla organicznego. W pierwszym przypadku, w rozmrożonych, wilgotnych i uwodnionych glebach, zwanych termokrasami, jest zjadany przez bakterie i przestaje być rdzawym pochłaniaczem węgla. Z kolei w drugim przypadku, żelazo jest jakby „zabójcą” węgla organicznego, a ściślej katalizatorem, gdy ultrafioletowe i widzialne promienie słoneczne szybciej utleniają go do postaci gazowej, czyli dwutlenku węgla.
—-
Pierwsza praca była przedstawiona przez duży zespół naukowy, głównie z Niemiec, ale i z Danii, Wielkiej Brytanii i USA, prowadzony przez niemiecką naukowiec Monique S. Patzner w przedmiocie Geomikrobiologii w Centrum Stosowanych Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Tybindze 4.
W lipcu 2018 r. naukowcy ci pobrali rdzenie w dwóch egzemplarzach, wzdłuż łagodnie zapadającego się gradientu odwilży od palsy do torfowiska i fenu.
Torfowisko Stordalen jest obszarem ściśle chronionym, na którym prowadzone są również inne badania terenowe, dlatego czas odwiertów jest ściśle ograniczony ze względu na ryzyko przyspieszenia odwilży wiecznej zmarzliny i/lub zakłócenia innych długoterminowych pomiarów, zwłaszcza w miejscach wrażliwych, takich jak fronty erozyjne.
Po wykonaniu badań terenowych, naukowcy doszli do wniosku, że kluczowe w utrzymaniu stabilnej zmarzliny, obok stabilnej temperatury regionalnej i lokalnej, jest żelazo chelatowane z węglem organicznym (OC-Fe – Organic Carbon-Iron) w całkowitej puli węgla organicznego (SOC – Soil Organic Carbon) w warunkach dużego stężenia tlenu.
Węgiel organiczny w rozmrażającej się zmarzlinie przekształca się łatwo w gazowy dwutlenek węgla, gdy zmarzlina topnieje i pojawia się woda powyżej 0°C. Wówczas uaktywniają swoją działalność bakterie, które metabolizują tenże węgiel. Ale nie tylko. Gdy mamy do czynienia z mokrymi siedliskami nawodnionymi, tutaj jeziorami termokrasowymi, np. po zapadniętych ombrogenicznych torfowiskach w tundrze, tzw. palsach, to łatwo wypłukiwany węgiel organiczny nie chroni już tak zwany rdzawy pochłaniacz węgla organicznego, czyli minerały żelaza, chroniące skutecznie tenże węgiel w stabilnej zmarzlinie z wysoką zawartością tlenu.
W rozwodnionej zmarzlinie, silnie zubożonej w tlen, bakterie skuteczniej przyczyniają się do osłabienia chelatu żelaza z organicznym węglem, co z kolei prowadzi do przemiany tegoż węgla w gazowy dwutlenek węgla, który masowo trafia do atmosfery, im bardziej rozwodniona jest zmarzlina po zapadniętych palsach. Z kolei słabo krystaliczne żelazo uwolnione od organicznego węgla w warunkach niskiego zapotrzebowania na tlen, jest intensywnie konsumowane przez bakterie, co tylko jeszcze mocniej w warunkach tlenowych wpływa na emisje dwutlenku węgla do atmosfery, a w warunkach beztlenowych – metanu. W ogólnym zakresie, w uwodnionych torfowiskach, wspomnianych palsach, bakterie w łatwy sposób rozkładają rozmrożoną materię organiczną składającą się ze szczątków roślin i zwierząt.
Rys. Trzy główne etapy odwilży to (1) palsa (oznaczona na pomarańczowo), (2) torfowisko (na zielono) i (3) trzęsawisko (na niebiesko). Pozycje trzech rdzeni szczegółowo przeanalizowanych w ciągu 3–4 dni od pobrania w 2018 r., które reprezentują wszystkie trzy etapy rozmrażania, pokazano na żółto. Dodatkowe rdzenie (pokazane na biało) pobrano w 2018 r. i przeanalizowano po 7 miesiącach inkubacji w 4°C (rysunki uzupełniające 1 i 3 w oryginalnym artykule). Dane do dalszych powtórzeń, wykonane w latach 2017 i 2019, są przedstawione w SI (rysunki uzupełniające 1–5 w oryginalnym artykule).
(Monique S. Patzner i inni, 2020)
Druga praca z kolei, została przedstawiona przez czteroosobowy skład naukowy, której główną autorką była biogeochemiczka i fotochemiczka Jennifer C Bowen z Wydziału Nauk o Ziemi i Środowisku na Uniwersytecie w Michigan, w Ann Arbor 5.
Nowością zawartą w tej pracy jest obserwacja w terenie, gdy rozmrażana zmarzlina uwadnia się, czy też pobliskie gleby, to wówczas organiczny węgiel jest jeszcze na jeden sposób szybko przekształcany w postać gazową dwutlenku węgla. Nie dość, że żelazo nie będące już chelatem z węglem organicznym (OC-Fe) jest zjadane przez bakterie, to na dodatek promienie słoneczne antagonizują to żelazo jako katalizator i przyspieszają reakcję chemiczną glebowego węgla organicznego (SOC) do postaci atmosferycznego gazu – dwutlenku węgla.
Fot. Fotomineralizacja w jeziorku termokrasowym (SeppFriedhuber / Getty Images).
I co jest jeszcze bardzo istotne, co podkreślają naukowcy w swoich badaniach laboratoryjnych, po pobraniu próbek gleby z zamarzniętej warstwy wiecznej zmarzliny (>60 cm pod powierzchnią) w pięciu miejscach leżących pod wilgotną, kwaśną kępą lub mokrą turzycą oraz na trzech powierzchniach lodowcowych na północnym zboczu Alaski latem 2018 r., że rozpuszczony węgiel organiczny (DOC – Dissolved Organic Carbon) przemieszcza się z destabilizowanej zmarzliny do wód nasłonecznionych, gdzie jego utlenianie do postaci dwutlenku węgla zależy od tego czy wspomniany DOC jest podatny na fotomineralizację. Wszystko jednak też zależy od składu chemicznego żelaza i DOC. Również podatność, czyli labilność DOC na fotomineralizację, zależy od długości fali światła słonecznego. Z kolei żelazo jest kontrolerem labilności, rozpuszczonego węgla organicznego w zmarzlinie, na fotomineralizację. Naukowcy także odkryli podczas badań, że starożytny kwas karboksylowy węgla w zmarzlinie, od 6300 do 4000 lat temu, również ma wpływ na wspomnianą fotomineralizację.
Profesor Rose Cory z Wydziału Nauk o Ziemi i Środowisku, badaczka geochemii wód, we wspomnianej pracy napisała:
Utlenianie rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) do dwutlenku węgla (CO2) przez światło słoneczne (fotomineralizacja) stanowi obecnie do 30% CO2 emitowanego do atmosfery z arktycznych wód powierzchniowych (Cory i inni, 2014).
Podsumowując ten temat, emisje dwutlenku węgla pochodzącego z rozpuszczonego węgla organicznego mają znaczący wpływ nie tylko dzięki natężonej działalności bakterii w uwodnionych siedliskach, ale i także podczas ekspozycji na światło słoneczne, które także potrafi utleniać DOC przy wzmocnieniu katalitycznym minerałów żelaza.
To nowe odkrycie z ubiegłego roku jeszcze nie jest włączone do modeli klimatycznych. Miejmy nadzieję, że to się wkrótce zmieni, mówią naukowcy z Uniwersytetu w Michigan.
Bibliografia:
- Patzner M. S. et al., 2020 ; Iron mineral dissolution releases iron and associated organic carbon during permafrost thaw ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-020-20102-6
- Bowen J. C. et al. 2020 ; Arctic Amplification of Global Warming Strengthened by Sunlight Oxidation of Permafrost Carbon to CO2 ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL087085