Wieloletnia zmarzlina to trwale zamarznięta ziemia, która przechowuje tyle węgla, ile znajduje się we wszystkich roślinach na Ziemi i w atmosferze razem wziętych. Duże znaczenie w przyspieszaniu tajania jej, podczas częstego wzrostu temperatury powyżej średniej, mają bakterie tlenowe i beztlenowe, których działalność intensyfikuje się podczas ocieplenia klimatu.
Zespół naukowy Fridy Keuper, z Francuskiego Narodowego Instytutu Badawczego. ds. rolnictwa, żywności i środowiska (INRAE) oraz Uniwersytetu w Umeå w Szwecji, przedstawił interesujący aspekt emisji dwutlenku węgla z rozmrażanej zmarzliny tundrowej w sezonie letnim 1.
Ocieplenie Arktyki sprawia, że w miejscu rozmrażanej zmarzliny pojawia się wiele roślin tundrowych, które mocno penetrują jej głębokość. To właśnie tam bakterie tlenowe dostają cukry od roślin za pomocą korzeni, dzięki czemu sprawniej przebiega ich metabolizm rozkładania materii organicznej w rozmrożonej zmarzlinie oraz proces ich oddychania i przemiany węgla organicznego w gazowy dwutlenek węgla, który intensywnie trafia do atmosfery ogrzewając obszary Arktyki.
Jest to tak zwany priming, czyli wzmożenie aktywności bakterii w strefie korzeniowej roślin, które dynamiczniej rozwijają się też w wyschniętej glebie. Jak się okazuje, właśnie w takich warunkach bakterie skutecznie utleniają węgiel organiczny do formy gazowego dwutlenku węgla.
Autorzy napisali na początku swojej pracy:
Ponieważ globalne temperatury nadal rosną, kluczową niepewnością prognoz klimatycznych jest mikrobiologiczny rozkład ogromnych zasobów węgla organicznego w rozmarzających glebach wieloletniej zmarzliny. Tempo rozkładu może wzrosnąć nawet czterokrotnie w obecności korzeni roślin, a ten mechanizm – zwany efektem pobudzania ryzosfery – może być szczególnie istotny w przypadku rozmrażania gleb wieloletniej zmarzliny, ponieważ wzrost temperatury również stymuluje produktywność roślin w Arktyce.
Jednak, jak podkreślają naukowcy, priming ryzosfery nie jest obecnie wyraźnie uwzględniony w żadnych modelowych prognozach przyszłych strat węgla z obszaru wieloletniej zmarzliny. Połączyli oni zestawy danych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i głębokiej, których dane mają kluczowe znaczenie dla dokładniejszego empirycznego zbadania interakcji roślin i wieloletniej zmarzliny w korelacji z primingiem ryzofery, czyli działalnością bakterii w topniejącej i ogrzewającej się zmarzlinie.
—
Rys.1. Względny rozkład głębokości korzeni w tundrze i lasach borealnych o różnej grubości warstwy czynnej (ALT). Względny rozkład korzeni został obliczony na 60 warstwach gleby (przyrosty 5 cm) ze zmienną ALT w tundrze podmokłej (W), krzewów wzniesionych (S) czy krzewów rozłożystych (P), złożonej z traw (G), a także w tundrze lasu borealnego na wieloletniej zmarzlinie (Bor) (Frida Keuper i in., 2020).
—
Według badań powyższych priming ryzosfery zwiększa ogólne oddychanie gleby w ekosystemach dotkniętych wieloletnią zmarzliną o około 12%, co ma przełożenie na bezwzględną utratę około 40 Pg [petagramów], inaczej 40 Gt (gigaton), węgla w glebie na całym północnym obszarze wieloletniej zmarzliny do 2100 roku.
Naukowcy apelują aby wziąć pod uwagę wszelkie interakcje ekologiczne oraz aby podjąć bardziej zdecydowane działania do bardziej restrykcyjnego ograniczenia antropogenicznych emisji dwutlenku węgla poniżej poziomu 200 Pg, aby utrzymać globalne ocieplenie poniżej 1,5°C.
—
Bardzo interesujące są dwie prace, w których, podczas działalności bakterii, kluczową rolę odgrywa minerał 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 organicznego (minerałami żelaza). 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, w okolicach wioski Abisko w Szwecji, 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 2.
W lipcu 2018 r. naukowcy ci pobrali rdzenie w dwóch egzemplarzach, wzdłuż łagodnie zapadającego się gradientu odwilży, od palsy (1) do torfowiska (2) i do trzęsawiska (3).
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 wieloletniej 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, czyli wspomnianych palsach, to łatwo wypłukiwany węgiel organiczny nie chroni już rdzawy pochłaniacz węgla organicznego, czyli minerały żelaza, chroniące skutecznie tenże węgiel w stabilnej zmarzlinie z wysoką zawartością tlenu.
—
Rys.2. Trzy główne etapy odwilży, niedaleko wioski Abisko w Szwecji, to (1) palsa (oznaczona na pomarańczowo), (2) torfowisko (oznaczone na zielono) i (3) trzęsawisko (oznaczone na niebiesko). Pozycje trzech rdzeni szczegółowo przeanalizowanych w ciągu 3–4 dni od pobrania w 2018 r., które reprezentują wszystkie trzy etapy rozmrażania (oznaczone na żółto). Dodatkowe rdzenie (oznaczone na biało) pobrano w 2018 r. i przeanalizowano po 7 miesiącach inkubacji w 4°C (Monique S. Patzner i inni, 2020).
—
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.
—
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. 3
—
Fot.1. Fotomineralizacja (Źródło: Shutterstock).
—
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.
I co jest jeszcze bardzo istotne, co podkreślają naukowcy w swoich badaniach laboratoryjnych, po pobraniu próbek gleby z zamarzniętej warstwy wieloletniej zmarzliny (>60 cm pod powierzchnią) w pięciu miejscach leżących pod wilgotną, kwaśną kępą lub mokrą turzycą oraz na trzech powierzchniach lodowcowych leżących na północnym zboczu Alaski latem 2018 r., 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.
—
Rys3. Przyrost izotopu 14C, czyli Δ 14C dla masowego DOC (w promilach) w wiecznej zmarzlinie jest silnym predyktorem dla Δ 14C-CO 2 (w promilach), który jest wytwarzany dzięki procesom fotomineralizacji DOC. Jednocześnie Δ 14C-CO 2 jest wytworzony przez ekspozycję DOC wiecznej zmarzliny na światło UV (309 nm, symbole rombowe) i światło widzialne (406 nm, symbole kwadratowe) w porównaniu z Δ 14C dla początkowego, masowego DOC wiecznej zmarzliny wykreślono linią 1:1 (Jennifer C. Bowen i in., 2020).
—
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 (Rose 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.
—
Kolejna interesująca praca została opublikowana przez kanadyjski zespół badawczy, w którym udział wzięli Scott Zolkos i Suzanne E. Tank z Wydziału Nauk Biologicznych na Uniwersytecie Alberty w Edmonton oraz Steven V Kokelj ze Służby Geologicznej Terytoriów Północno-Zachodnich w Yellowknife. 9
Naukowcy pobrali próbki rozpuszczonych jonów wodorowęglanowych i innych pierwiastków i związków chemicznych, rozpuszczonego CO2 , rozpuszczonego węgla nieorganicznego (DIC) i izotopów węgla z 24 miejsc w ośmiu strumieniach dotkniętych wstecznym spadkiem odwilży (RTS – Retrogressive Thaw Slump).
Generalnie wietrzenie minerałów węglanowych w glinach węglanowych przez kwas węglowy (H2CO3), nawet w warunkach termokrasowych jezior po zapadnięciu się danego obszaru zmarzliny, mniej powoduje emisji dwutlenku węgla do atmosfery, niż gdy mamy do czynienia z wietrzeniem minerałów siarczkowych przez kwas siarkowy.
W pierwszym przypadku dwutlenek węgla jest najczęściej wiązany przez kwas węglowy. A w drugim przypadku ten gaz cieplarniany najczęściej nie jest wiązany i ułatwia to bakteriom przekształcanie organicznego węgla do postaci gazowej wspomnianego dwutlenku węgla.
Badania terenowe zostały przeprowadzone przez naukowców na płaskowyżu Peel na Terytoriach Północno-Zachodnich w kanadyjskiej tundrze. Wyniki ich są zaskakujące, świadczące o tym, że tam gdzie mamy do czynienia z kwasem siarkowym, tam występują nasilone emisje gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla. Ten proces jest wzmocniony obecnością zapadlisk zmarzliny w postaci dobrze nam już poznanych jezior termokrasowych, w których wzmożoną aktywność przemiany węgla organicznego (OC – Organic Carbon) do postaci gazowego dwutlenku węgla (CO2) prowadzą bakterie.
—
Rys.4. Tereny termokrasowe na pagórkowatych zboczach panarktycznych, litologie węglanonośne, granice późnoglacjalne oraz obserwacje wiecznej zmarzliny węglanowej pochodzące z tego badania i literatury (źródła danych w sekcji 2). Mapa bazowa, główne zlewiska rzek Arktyki i zasięg wiecznej zmarzliny z ESRI ArcGIS Online (Scott Zolkos i inni, 2018).
—
Naukowcy kanadyjscy piszą na wstępie pracy:
Odwilż wiecznej zmarzliny w Arktyce umożliwia biogeochemiczną przemianę ogromnych zapasów węgla organicznego w dwutlenek węgla (CO2). To uwolnienie CO2 ma istotne implikacje dla sprzężeń zwrotnych klimatu, jednak potencjalna przeciwwaga związana z wiązaniem CO2 poprzez chemiczne wietrzenie minerałów narażonych na rozmrażanie wiecznej zmarzliny jest całkowicie niezbadana.
Pokazujemy, że termokras w zachodniej Arktyce Kanadyjskiej może umożliwić szybkie wietrzenie glin węglanowych, napędzane kwasem siarkowym z utleniania siarczków. W przeciwieństwie do wietrzenia spowodowanego kwasem węglowym spowodowało to znaczną i wcześniej nieudokumentowaną produkcję CO2 i odgazowanie w strumieniach górnych.
Rosnące przepływy rzecznej substancji rozpuszczonej korespondują z długotrwałą intensyfikacją termokrasu i odzwierciedlają regionalną przewagę wietrzenia węglanowego wywołanego kwasem siarkowym. Doszliśmy do wniosku, że wietrzenie minerałów wzmocnione termokrasem może poważnie zakłócić obieg węgla w wodach słodkich Arktyki. Podczas gdy termokras i wietrzenie węglanów wywołane kwasem siarkowym w zachodniej części Arktyki kanadyjskiej wzmacniają uwalnianie CO2 , regionalne zróżnicowanie utleniania siarczków łagodzi wpływ na sprzężenie zwrotne węgiel-klimat wiecznej zmarzliny.
Pod koniec pracy badacze stwierdzili, że w obszarach termokrasowych, zakłócenia w wodnym nieorganicznym obiegu węgla mogą być wyraźne na rozległych obszarach okołobiegunowej północy.
Efekty te widać coraz częściej daleko na wyższych szerokościach tundry, zarówno w Azji, jak i w Ameryce Północnej. W rosyjskiej Syberii, w szczególności narażony jest region Yedoma leżący w północno-wschodniej i północno-środkowej Syberii, gdy będą zachodzić procesy wietrzenia minerałów podczas osadzania i agradacji wiecznej zmarzliny.
Autorzy na podstawie wcześniejszych prac piszą, że utlenianie siarczków jest bardziej rozpowszechnione w skali globalnej niż wcześniej sądzono (Andrea Burke i inni, 2018).
I najważniejsze, na co zwrócił uwagę w swoim artykule kanadyjski zespół naukowy, to właśnie to, że w regionach wiecznej zmarzliny, gdzie przeważają siarczki, uwalnianie minerałów do aktywnych cykli biogeochemicznych prawdopodobnie bardziej zwiększy dodatnie sprzężenie zwrotne. Więc, wietrzenie minerałów wzmocnione odwilżą jest nadal prawdopodobnie wyraźne.
Jednak przy braku siarczków, wietrzenie wywołane kwasem węglowym H2CO3 spowoduje sekwestrację CO2 (Mark M. Dornblaser & Robert G. Striegl, 2015). Równowaga między tymi procesami w skali panarktycznej pozostaje całkowicie jeszcze nie zweryfikowana i nieudokumentowana.
—