Geopende oceaan opgeloste koolstof gevisualiseerd op atomaire schaal

Opgeloste Oceaan Koolstof (DOC) is de grootste gereduceerde koolstofvoorraad van de planeet, ongeveer 200 keer de massa van de levende biosfeer en vergelijkbaar met de atmosferische CO₂-voorraad. Toch is slechts ongeveer 10% van DOC chemisch gekarakteriseerd, wat een kritische kennisleemte achterlaat voor het voorspellen hoe deze enorme voorraad zal reageren op stijgende temperaturen en andere klimaatveranderingsspanningen.

In een samenwerking tussen IBM Research – Zürich en toonaangevende chemische oceanografen van de Universiteit van Zürich, UC Irvine en UC Santa Cruz, hebben onderzoekers voor het eerst de individuele moleculen die DOC samenstellen gebeeld. De resultaten, nu gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Geophysical Research Letters, openen een nieuw raam in de oceaan koolstofcyclus.

De mysterie van oude oceaan koolstof ontrafelen

Terwijl DOC grotendeels afkomstig is van oppervlaktefyto-plankton, toont radiokoolstofdatering aan dat de gemiddelde leeftijd ongeveer 2.400 jaar ouder is dan verwacht, wat impliceert dat een fractie van deze koolstof meerdere diepwater mengcycli overleeft. Een leidende hypothese schrijft deze longlevendheid toe aan de chemische structuur van DOC, een hypothese die tot nu toe niet getoetst kon worden.

Links: AFM-beeld van 5,6,8-trimetyl-2,3-dihydro-1H-cyclopenta[b]naftaleen, een diep-oceaan molecuul. Rechts: AFM-beeld van een molecuul uit de diepe Noordelijke Stille Oceaan.

Kruisdisciplinaire samenwerking breekt nieuw grond

Door geavanceerde analytische chemie te combineren met zeewetenschap, gebruikte het team atoomkrachtmicroscopie (AFM) om individuele DOC-moleculen op atomaire resolutie vast te leggen – een techniek die door IBM-wetenschappers in 2009 werd geïntroduceerd. De AFM-beelden onthullen de precieze structurele details die bepalen hoe DOC zich in de oceaan gedraagt.

Van links naar rechts: Leo Gross (IBM Research – Zürich); Alysha Inez Coppola (Universiteit van Zürich); Fabian Schulz (IBM Research – Zürich); Shadi Fatayer (IBM Research – Zürich).

Monsters van zowel het oppervlak als 2.500 m diepte in de Noordelijke Stille Oceaan werden onderzocht. De analyse toont aan diepwatermoleculen zijn meer planair en bevatten minder alifatische groepen dan oppervlaktemoleculen, wat de hypothese ondersteunt dat structurele recalcitrantie de basis vormt van de oude leeftijd van diepe DOC.

Waarom DOC belangrijk is

DOC vertegenwoordigt een koolstofvoorraad vergelijkbaar met de atmosfeer. Het begrijpen van zijn structurele veerkracht is essentieel voor het voorspellen hoe de oceaan koolstofcyclus zal verschuiven in een opwarmerde wereld, zeker nu vervuiling de mariene ecosystemen blijft belasten. De mogelijkheid om individuele moleculen te visualiseren biedt een krachtig instrument voor het beoordelen van de gezondheid van de oceaan en het sturen van klimaatbeleid.

Direct visualization of individual aromatic compound structures in low molecular weight marine dissolved organic carbon, DOI: 10.1029/2018GL077457