Ocean Carbon afgebeeld op de atoomschaal

Opgeloste oceaankoolstof (DOC) in de oceaan is een van de grootste pools van gereduceerde koolstof op aarde. Het is ongeveer 200 keer groter dan de levende biosfeer en vergelijkbaar in grootte met de atmosferische CO₂ reservoir. Vanwege de complexiteit is minder dan 10 procent opgeloste organische koolstof gekarakteriseerd. Het is belangrijk om te begrijpen wat deze koolstofpool is, zodat we kunnen voorspellen hoe deze koolstofpool zal reageren op stijgende temperaturen als gevolg van klimaatverandering.

Wetenschappers van IBM Research - Zürich werkten samen met chemische oceanografen van de Universiteit van Zürich, de Universiteit van Californië Irvine en de Universiteit van Californië Santa Cruz om de moleculen in beeld te brengen die aanwezig zijn in oceanische opgeloste organische koolstof. Met deze methode kunnen zeewetenschappers kijken naar de structuur van individuele moleculen in diepe oceaanbekkens om een ​​beter begrip te krijgen van de koolstofcyclus van de oceaan. Ons onderzoek verschijnt vandaag in het peer-reviewed tijdschrift Geophysical Research Letters.

Mysterieuze zaak

Hoewel opgeloste organische koolstof voornamelijk afkomstig is van het oppervlak van de oceaan van modern fytoplankton, is paradoxaal genoeg de gemiddelde leeftijd (zoals bepaald door koolstofdatering) ongeveer 2.400 jaar ouder dan we zouden verwachten! Dit geeft aan dat een deel van de koolstof meerdere mengcycli in de diepe oceaan overleeft. Er zijn verschillende paradigma's om dit raadsel te verklaren. Een belangrijke theorie suggereert dat de lange persistentie van koolstof in de diepe oceaan wordt verklaard door zijn chemische structuur. De structuur van opgeloste organische koolstof is tot nu toe echter nooit in beeld gebracht.

Links :AFM-beeld met behulp van een CO-gefunctionaliseerde tip van 5,6,8-trimethyl-2,3-dihydro-1H-cyclopenta[b]naftaleen, een molecuul dat in de diepe oceaan wordt aangetroffen. Rechts:AFM-beeld met gebruikmaking van een CO-gefunctionaliseerde punt van een molecuul in de diepe noordelijke Stille Oceaan.

Opkomende instrumenten in analytische chemie, samen met chemische oceanografie, doorbreken de barrières om een ​​vollediger inzicht te krijgen in oppervlakte- en diep opgeloste organische koolstof. De complexiteit van verbindingen in opgeloste organische koolstof is enorm. Deze oceanische koolstofpool bevat vele duizenden verschillende moleculen. Bij IBM gebruiken we een atomic force microscope (AFM) om individuele moleculen met atomaire resolutie in beeld te brengen om hun moleculaire structuur te identificeren - een methode die in 2009 door IBM-wetenschappers is uitgevonden.

Van links naar rechts, Leo Gross, IBM Research – Zürich; Alysha Inez Coppola, Universiteit van Zürich; Fabian Schulz, IBM Research – Zürich en Shadi Fatayer, IBM Research – Zürich

In ons onderzoek hebben we monsters van opgeloste oceaankoolstof verzameld die van het oppervlak en de diepe (2500 m) wateren van de noordelijke Stille Oceaan zijn verzameld om de reden achter de weerbarstigheid van opgeloste organische koolstof in de oceanen op te helderen.

Onze bevindingen wijzen op significante verschillen tussen de moleculen aan de oppervlakte en die in de diepte. Ter vergelijking:moleculen uit diepe wateren zijn vlakker en bevatten minder alifatische groepen dan moleculen op het oppervlak. Deze resultaten ondersteunen de hypothese dat de ouderdom van opgeloste organische koolstof in de diepzee verband houdt met zijn structurele weerspannigheid.

Waarom zouden we ons druk maken om opgeloste organische koolstof?

Opgeloste organische koolstof is een enorm reservoir van koolstof, ongeveer gelijk aan de hoeveelheid koolstof in onze atmosfeer. Om de koolstofcyclus te begrijpen en te begrijpen hoe deze zal veranderen in oceanen met warmere temperaturen, moeten we de weerspannigheid begrijpen achter deze oude poel van opgeloste organische koolstof in de zee.

In een wereld waar het oceaanwater met de dag meer en meer vervuild raakt, en in het licht van Wereldmilieudag, zal deze methode zeewetenschappers in staat stellen om individuele chemische structuren in de oceaanbekkens te onderzoeken, om de kringloop van koolstof beter te begrijpen en de "gezondheid" van onze oceanen.