科学家揭示海洋中全球锌循环的驱动因素，对气候变化有影响
《科学》杂志发表的一项研究再次证实了南大洋在全球生物过程和碳循环中的重要作用，该研究首次基于实地证据，揭示了无机锌（Zn）颗粒在这些循环中被低估的作用。南大洋在全球浮游植物生产力中发挥着最大作用，负责吸收大气中的二氧化碳。在这些过程中，海水中微量的锌是一种必需的微量营养素，对海洋生物的许多生化过程至关重要，尤其是对极地浮游植物的繁殖至关重要。
当浮游植物大量死亡时，锌就会被释放出来。但迄今为止，科学家们一直感到困惑，因为人们观察到锌和磷之间存在分离现象，而磷是海洋生命所必需的另一种营养物质，尽管这两种营养物质在浮游植物中位于相似的区域。相反，人们经常看到锌和溶解的二氧化硅之间存在强烈（但无法解释）的耦合。
斯泰伦博斯大学环境与海洋生物地球化学专家、文章合著者 Alakendra Roychoudhury 教授表示，他们现在首次可以自信地解释驱动海洋锌循环的生物地球化学过程。
自 2013 年以来，雪城大学地球科学系的 Roychoudhury 研究小组已三次加入南非极地科考船 SA Agulhas II 的探险。该团队在夏季和冬季穿越浩瀚的南大洋前往南极洲，收集了海面和深海的海水样本以及沉积物。
Ryan Cloete 博士是该论文的共同第一作者，目前是法国环境海洋科学实验室 (LEMAR) 的博士后研究员，他参加了其中两次探险。“研究南大洋非常重要，因为它是全球海洋环流的中心枢纽。南大洋发生的过程会印在水团上，然后被输送到大西洋、印度洋和太平洋，”他解释说。
他们与普林斯顿大学、芝加哥大学、加州大学圣克鲁斯分校以及马克斯普朗克化学研究所的研究人员合作，利用同步加速器上的 X 射线光谱技术对样品进行了详细的逐个粒子分析，从而能够在原子和分子水平上研究样品。
2019 年 SA Agulhas II 南极探险期间，装有 24 个 GO-FLO 瓶的电导率-温度-深度 (CTD) 玫瑰花结即将被放入水下 4,500 米深处。图片来源：斯泰伦博斯大学
揭示海洋中全球锌循环的驱动因素
在夏季，生产力的提高似乎导致海洋表面有机物中 Zn 含量更高，这些 Zn 很容易被浮游植物吸收。但研究人员还发现，这些样本中存在高浓度的 Zn，这些 Zn 与岩石和泥土中的碎屑以及大气尘埃有关。
在公海中，Zn 与颗粒的结合或解离之间的相互作用对于补充溶解的 Zn 以支持海洋生物至关重要。
Cloete 解释道：“由于冬季生长条件恶劣，锌颗粒实际上被无机固体（如二氧化硅）‘清除’，而二氧化硅以硅藻以及铁和铝氧化物的形式大量存在。硅藻是一种微藻，即骨骼由二氧化硅构成的单细胞生物，这解释了海洋中锌和二氧化硅之间的紧密联系。”
换句话说，当 Zn 与有机配体结合时，浮游植物等海洋生物很容易吸收。然而，矿物相中的 Zn 不易溶解，因此不易被吸收。在这种形式下，颗粒状 Zn 可以形成大的聚集体并沉入深海，浮游植物无法吸收。
对气候变化的影响
Roychoudhury 警告说，对全球锌循环的这种理解在海洋变暖的背景下具有重要意义。“气候变暖加剧了侵蚀，导致大气中灰尘增多，进而导致更多灰尘沉积到海洋中。灰尘越多，锌颗粒的清除就越多，导致可供浮游植物和其他海洋生物生存的锌就越少。”
Cloete 表示，他们研究海洋锌循环的新方法现在为研究其他重要的微量营养素打开了大门。“与锌一样，铜、镉和钴的分布在未来也可能经历气候引起的变化，”Cloete 说。
对于 Roychoudhury 来说，这些发现再次证实了南大洋在调节气候和海洋食物网方面的全球影响力。
“地球系统通过物理、化学和生物过程错综复杂地耦合在一起，并具有自我修正反馈回路，以调节变化并抵消气候变化。我们的研究结果是这种耦合的一个典型例子，分子水平上发生的生化过程可以影响全球过程，例如地球变暖，”Roychoudhury 说。
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