Descubrimiento IMP de Biogeoquímica

La importancia de los "copos de nieve" para el equilibrio de los nutrientes en el mar.

31 de mayo de 2021

En las aguas profundas que subyacen a las zonas productivas del océano, hay una lluvia constante de material orgánico llamado 'nieve marina'. La nieve marina no solo tiene el aspecto de nieve real, sino que también se comporta de manera similar: los copos grandes son raros y caen rápidamente, mientras que los copos más pequeños, muy abundantes, tardan más. Los científicos de Bremen y Kiel ahora han descubierto que precisamente esas características explican por qué las partículas pequeñas juegan un papel importante para el equilibrio de los nutrientes en los océanos. Estos hallazgos ayudarán en el desarrollo adicional de modelos biogeoquímicos que incluyen el ciclo del nitrógeno marino.
Mapa con una descripción general de las zonas de mínimo de oxígeno. Los más grandes se encuentran en la costa de América Central y del Sur, pero también se pueden encontrar áreas sin oxígeno en el Mar Báltico. El recuadro rojo marca la zona de mínimo de oxígeno frente a Perú donde se recolectaron muestras para este estudio.
  Aumentar imagen

Mapa con una descripción general de las zonas de mínimo de oxígeno. Los más grandes se encuentran en la costa de América Central y del Sur, pero también se pueden encontrar áreas sin oxígeno en el Mar Báltico. El recuadro rojo marca la zona de mínimo de oxígeno frente a Perú donde se recolectaron muestras para este estudio.

 

[menos]

Un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Microbiología Marina, el Instituto Max Planck de Meteorología y el Centro GEOMAR - Helmholtz de Investigación Oceánica de Kiel han estado estudiando procesos biogeoquímicos en la zona de mínimo de oxígeno del Pacífico Sur oriental frente a Perú, uno de los regiones con poco oxígeno más grandes del océano mundial. Los investigadores se centraron en las llamadas partículas de nieve marina de diferentes tamaños, que están compuestas por restos de algas y otro material orgánico, con el objetivo de comprender cómo estas partículas afectan el ciclo del nitrógeno en la zona de mínimo de oxígeno. De este modo, resolvieron un enigma de larga data: cómo los nutrientes que se concentran dentro de las partículas llegan a las bacterias anammox que viven libremente suspendidas en la columna de agua.

Las zonas de mínimo de oxígeno son regiones del océano donde se disuelve poco o nada de oxígeno en el agua. Como la mayoría de los animales necesitan oxígeno para respirar, no pueden sobrevivir en estos cuerpos de agua. No es sorprendente que las zonas de mínimo de oxígeno también se denominen zonas marinas muertas. Las zonas de mínimo de oxígeno son un fenómeno natural, pero se ha descubierto que se están expandiendo en muchas regiones del océano como resultado de la actividad humana. El calentamiento global contribuye a la disminución de las concentraciones de oxígeno, ya que el agua caliente almacena menos oxígeno. El agua superficial más cálida también se mezcla menos con el agua fría y profunda que se encuentra debajo, lo que conduce al estancamiento y la ventilación reducida.

Los cambios en el ciclo del nitrógeno también tienen efectos perjudiciales sobre las concentraciones de oxígeno en los océanos. El nitrógeno es un nutriente vital que los animales y las plantas necesitan para crecer. Normalmente raros en el océano, los compuestos de nitrógeno que pueden procesarse se han vuelto cada vez más disponibles en muchas regiones costeras. Los seres humanos utilizan grandes cantidades de fertilizantes con compuestos nitrogenados como el amonio y el nitrato para la agricultura y estos nutrientes llegan al océano a través de los ríos y la atmósfera en cantidades cada vez mayores. Esto tiene graves consecuencias. Los nutrientes adicionales mejoran el crecimiento del fitoplancton. Cuando los organismos planctónicos mueren, son descompuestos por bacterias. Durante este proceso, las bacterias consumen oxígeno, lo que provoca una disminución en las concentraciones de oxígeno. Una vez que el oxígeno se consume por completo, los procesos microbianos anaeróbicos toman el control, durante los cuales los microbios esencialmente "respiran" compuestos de nitrógeno en lugar de oxígeno y, como resultado, convierten el nitrato, el nitrito y el amonio en nitrógeno gaseoso y lo liberan a la atmósfera.

¿Qué factores impulsan la pérdida de nitrógeno?


Combinados, los procesos de respiración microbiana anaeróbica de anammox y la desnitrificación en zonas de mínimo de oxígeno conducen a la pérdida de hasta el 40 por ciento del nitrógeno de los océanos. Sin embargo, aún se conoce poco sobre la regulación de los procesos microbianos de pérdida de nitrógeno en las zonas de mínimo de oxígeno. Este estudio se centra en el proceso de anammox, es decir, la oxidación anaeróbica de amonio con nitrito. En su proyecto, los investigadores siguieron la observación de que el proceso de anammox es particularmente alto cuando el material orgánico en forma de partículas de nieve marina es especialmente abundante. Su hipótesis era que el material orgánico, que contiene una gran cantidad de nitrógeno fijo, sirve como fuente de amonio para la reacción de anammox. Curiosamente, las bacterias anammox no parecen vivir en la nieve marina en sí, sino en la columna de agua. Entonces, ¿cómo encuentran estas bacterias sus nutrientes?

Para resolver este rompecabezas, los científicos utilizaron cámaras submarinas para medir la abundancia de partículas en los perfiles de profundidad en diferentes estaciones en la zona de mínimo de oxígeno frente a Perú. “Observamos que el proceso de anammox ocurre principalmente en lugares donde las partículas más pequeñas son abundantes”, dice Clarissa Karthäuser, primera autora compartida del artículo con Soeren Ahmerkamp. “Esto indica que las partículas más pequeñas son más importantes para el proceso de anammox que las más grandes, pequeñas significa que tienen aproximadamente el tamaño del ancho de un cabello humano y, por lo tanto, apenas son visibles”.

Estas pequeñas partículas son muy abundantes en la columna de agua y se hunden lentamente, por lo que permanecen más tiempo en la zona de mínimo de oxígeno. Además, el material orgánico se empaqueta de forma más densa en partículas más pequeñas y, como resultado, las escamas pequeñas transportan una cantidad similar de material por partícula que los grupos más grandes, lo que significa que en general transportan significativamente más nitrógeno. “Estimamos que la concentración de amonio alrededor de las partículas aumenta significativamente”, dice Soeren Ahmerkamp. “Esto indica dos cosas: primero, que el número más alto y los tiempos de residencia más largos de las partículas más pequeñas en la columna de agua aumentan la probabilidad de que las bacterias encuentren una partícula pequeña por casualidad. En segundo lugar, las altas concentraciones de amonio en la capa límite de la partícula pueden proporcionar alimento a las bacterias ".

Los nuevos hallazgos son cruciales para la mejora de los modelos del sistema terrestre. "Con este estudio, hemos resuelto un aspecto importante del proceso de anammox y, por lo tanto, hemos hecho una contribución importante a una mejor comprensión del equilibrio de nutrientes en los océanos", dice Marcel Kuypers, jefe del Departamento de Biogeoquímica del Instituto Max Planck de Microbiología marina en Bremen. "Con esta comprensión mejorada del proceso, proporcionamos el vínculo entre los procesos asociados a partículas y el ciclo del N en zonas de mínimo de oxígeno que se pueden adaptar en modelos biogeoquímicos del sistema terrestre para evaluar mejor los efectos de la desoxigenación antropogénica en el ciclo del nitrógeno".

 
loading content
Go to Editor View