Upplöst organiskt kol
| Del av en serie om |
| kolcykeln |
|---|
 |
Upplöst organiskt kol ( DOC ) är den del av organiskt kol som operationellt definieras som det som kan passera genom ett filter med en porstorlek vanligtvis mellan 0,22 och 0,7 mikrometer . Den fraktion som finns kvar på filtret kallas partikelformigt organiskt kol (POC).
Upplöst organiskt material (DOM) är en närbesläktad term som ofta används omväxlande med DOC. Medan DOC specifikt hänvisar till massan av kol i det lösta organiska materialet, hänvisar DOM till den totala massan av det lösta organiska materialet. Så DOM inkluderar också massan av andra grundämnen som finns i det organiska materialet, såsom kväve, syre och väte. DOC är en komponent i DOM och det finns vanligtvis ungefär dubbelt så mycket DOM som DOC. Många påståenden som kan göras om DOC gäller lika för DOM och vice versa .
DOC finns rikligt i marina och sötvattensystem och är en av de största kretsloppsreservoarerna av organiskt material på jorden, och står för samma mängd kol som i atmosfären och upp till 20 % av allt organiskt kol. I allmänhet organiska kolföreningar resultatet av nedbrytningsprocesser från dött organiskt material inklusive växter och djur. DOC kan härröra från inom eller utanför en given vattenförekomst. DOC som kommer inifrån vattenkroppen kallas autokton DOC och kommer vanligtvis från vattenväxter eller alger , medan DOC som kommer utanför vattenmassan är känd som allokton DOC och kommer vanligtvis från jordar eller landväxter . När vatten kommer från landområden med en hög andel organisk jord kan dessa komponenter rinna ut i floder och sjöar som DOC.
Den marina DOC-poolen är viktig för de marina ekosystemens funktion eftersom de är i gränssnittet mellan den kemiska och den biologiska världen. DOC ger bränsle till marina matnät och är en viktig del av jordens kolkretslopp .
Översikt
DOC är ett grundläggande näringsämne som stödjer tillväxten av mikroorganismer och spelar en viktig roll i den globala kolcykeln genom den mikrobiella slingan . I vissa organismer (stadier) som inte äter i traditionell mening kan löst material vara den enda externa födokällan. Dessutom är DOC en indikator på organisk belastning i vattendrag, samt stödjer terrestrisk bearbetning (t.ex. i jord, skogar och våtmarker) av organiskt material. Löst organiskt kol har en hög andel biologiskt nedbrytbart löst organiskt kol (BDOC) i första ordningens strömmar jämfört med högre ordningens strömmar. I frånvaro av omfattande våtmarker , myrar eller träsk , varierar basflödeskoncentrationer av DOC i ostörda vattendelar i allmänhet från cirka 1 till 20 mg/L kol. Kolhalterna varierar avsevärt mellan ekosystemen. Till exempel Everglades vara nära toppen av området och mitten av haven kan vara nära botten. Ibland indikerar höga koncentrationer av organiskt kol antropogena influenser, men de flesta DOC har sitt ursprung naturligt.
BDOC -fraktionen består av organiska molekyler som heterotrofa bakterier kan använda som energi- och kolkälla. En del av DOC utgör prekursorerna till desinfektionsbiprodukter för dricksvatten. BDOC kan bidra till oönskad biologisk återväxt inom vattendistributionssystem.
Den lösta fraktionen av totalt organiskt kol (TOC) är en operativ klassificering. Många forskare använder termen "upplöst" för föreningar som passerar genom ett 0,45 μm filter, men 0,22 μm filter har också använts för att ta bort högre kolloidala koncentrationer.
En praktisk definition av löst som vanligtvis används inom marin kemi är alla ämnen som passerar genom ett GF/F-filter, som har en nominell porstorlek på cirka 0,7 μm (Whatman glasmikrofiberfilter, 0,6–0,8 μm partikelretention). Den rekommenderade proceduren är HTCO- tekniken, som kräver filtrering genom förbrända glasfiberfilter, vanligtvis GF/F-klassificeringen.
Labil och motsträvig
Upplöst organiskt material kan klassificeras som labilt eller motsträvigt, beroende på dess reaktivitet. Motstridig DOC kallas också för eldfast DOC, och dessa termer verkar användas omväxlande i samband med DOC. Beroende på ursprunget och sammansättningen av DOC är dess beteende och cykling olika; den labila fraktionen av DOC sönderdelas snabbt genom mikrobiellt eller fotokemiskt medierade processer, medan eldfast DOC är resistent mot nedbrytning och kan finnas kvar i havet i årtusenden. I kusthavet verkar organiskt material från landlevande växtskräp eller jordar vara mer eldfast och beter sig därför ofta konservativt. Dessutom produceras eldfast DOC i havet genom bakteriell omvandling av labil DOC, som omformar dess sammansättning.
På grund av den kontinuerliga produktionen och nedbrytningen i naturliga system innehåller DOC-poolen ett spektrum av reaktiva föreningar var och en med sin egen reaktivitet, som har delats upp i fraktioner från labila till motstridiga, beroende på omsättningstiderna, som visas i följande tabell. ..
|
DOC-poolspektrum från labilt till motsträvigt
|
|||
|---|---|---|---|
| DOC-fraktion | akronym | omsättningstid | belopp |
| labil | DOCL | timmar till dagar | < 200 Tg C |
| halvlabil | DOCSL | veckor till månader | ~600 Tg C |
| halvt motsträvig | DOCSR | årtionden | ~1400 Tg C |
| motsträvig | DOCR | tusentals år | ~63000 Tg C |
| mycket motståndskraftig | tiotusentals år | ||
Detta breda intervall i omsättnings- eller nedbrytningstider har kopplats till den kemiska sammansättningen, strukturen och molekylstorleken, men nedbrytningen beror också på miljöförhållandena (t.ex. näringsämnen), prokaryotdiversitet, redoxtillstånd, järntillgänglighet, mineral-partikelföreningar, temperatur , exponering för solljus, biologisk produktion av motsträviga föreningar och effekten av priming eller utspädning av individuella molekyler. Till exempel kan lignin brytas ned i aeroba jordar men är relativt motsträvigt i anoxiska marina sediment. Detta exempel visar att biotillgängligheten varierar som en funktion av ekosystemets egenskaper. Följaktligen kan även normalt gamla och motsträviga föreningar, såsom petroleum, karboxylrika alicykliska molekyler, brytas ned i lämplig miljö.
Terrestra ekosystem
Jord
Inlandsvatten tar i första hand emot kol från terrestra ekosystem . Detta kol (1,9 Pg C y −1 ) transporteras till haven (0,9 Pg C y −1 ), begravs i sedimenten (0,2 Pg C y −1 ) eller släpps ut som CO 2 (0,8 Pg C y −1 ). Senare uppskattningar är annorlunda: 2013, Raymond et al. påstådda CO 2 -utsläpp från inre vatten kan vara så höga som 2,1 Pg C y −1 . P = fotosyntes R = andning
Upplöst organiskt material (DOM) är en av de mest aktiva och mobila kolpoolerna och har en viktig roll i den globala kolkretsloppet. Dessutom påverkar upplöst organiskt kol (DOC) denitrifieringsprocessen för negativa elektriska laddningar i marken, syra - basreaktioner i jordlösningen, retention och translokation av näringsämnen ( katjoner ) och immobilisering av tungmetaller och främlingsfientliga läkemedel . Jord-DOM kan härledas från olika källor (input), såsom atmosfäriskt kol löst i regn, strö och skörderester, gödsel, rotutsöndringar och nedbrytning av organiskt material i jorden (SOM). I marken beror DOM-tillgängligheten på dess interaktioner med mineralkomponenter (t.ex. leror, Fe- och Al-oxider) som moduleras av adsorptions- och desorptionsprocesser . Det beror också på SOM-fraktioner (t.ex. stabiliserade organiska molekyler och mikrobiell biomassa) genom mineraliserings- och immobiliseringsprocesser. Dessutom ändras intensiteten av dessa interaktioner beroende på markens inneboende egenskaper, markanvändning och grödor.
Under nedbrytningen av organiskt material förloras det mesta kolet som CO 2 till atmosfären genom mikrobiell oxidation. Jordtyp och landskapslutning, urlakning och avrinning är också viktiga processer förknippade med DOM-förluster i marken. I väldränerade jordar kan urlakad DOC nå grundvattenytan och släppa ut näringsämnen och föroreningar som kan förorena grundvattnet , medan avrinning transporterar DOM och främlingsfientlighet till andra områden, floder och sjöar.
Grundvatten
Nederbörd och ytvatten lakar ut löst organiskt kol (DOC) från vegetation och växtskräp och sipprar genom jordpelaren till den mättade zonen . Koncentrationen, sammansättningen och biotillgängligheten av DOC förändras under transport genom jordkolonnen av olika fysikalisk-kemiska och biologiska processer, inklusive sorption , desorption , biologisk nedbrytning och biosyntes . Hydrofoba molekyler fördelas företrädesvis på jordmineraler och har en längre retentionstid i jordar än hydrofila molekyler. Hydrofobiciteten och retentionstiden för kolloider och lösta molekyler i jordar styrs av deras storlek, polaritet, laddning och biotillgänglighet . Biotillgänglig DOM utsätts för mikrobiell nedbrytning, vilket resulterar i en minskning av storlek och molekylvikt. Nya molekyler syntetiseras av jordmikrober , och några av dessa metaboliter kommer in i DOC-reservoaren i grundvattnet.
Sötvattensekosystem
Vattenhaltigt kol förekommer i olika former. För det första görs en uppdelning mellan organiskt och oorganiskt kol. Organiskt kol är en blandning av organiska föreningar som kommer från detritus eller primärproducenter. Det kan delas in i POC ( partikelformigt organiskt kol ; partiklar > 0,45 μm) och DOC (löst organiskt kol; partiklar < 0,45 μm). DOC utgör vanligtvis 90 % av den totala mängden akvatiskt organiskt kol. Dess koncentration sträcker sig från 0,1 till >300 mg L -1 .
Likaså består oorganiskt kol av en partikelformig (PIC) och en upplöst fas (DIC). PIC består huvudsakligen av karbonater (t.ex. CaCO 3 ), DIC består av karbonat (CO 3 2- ), bikarbonat (HCO 3 − ), CO 2 och en försumbar liten del av kolsyra (H 2 CO 3 ). De oorganiska kolföreningarna existerar i jämvikt som beror på vattnets pH. DIC-koncentrationer i sötvatten sträcker sig från cirka noll i sura vatten till 60 mg CL −1 i områden med karbonatrika sediment.
POC kan degraderas till DOC; DOC kan bli POC genom flockning . Oorganiskt och organiskt kol är sammanlänkade genom vattenlevande organismer . CO 2 används i fotosyntes (P) av till exempel makrofyter , produceras av andning (R), och utbyts med atmosfären. Organiskt kol produceras av organismer och frigörs under och efter deras liv; t.ex. i floder produceras 1–20 % av den totala mängden DOC av makrofyter. Kol kan komma in i systemet från avrinningsområdet och transporteras till haven med floder och bäckar. Det sker också utbyte med kol i sedimenten, t.ex. nedgrävning av organiskt kol, vilket är viktigt för kolbindning i vattenlevande livsmiljöer.
Vattensystem är mycket viktiga i global kolbindning; t.ex. när olika europeiska ekosystem jämförs, bildar inlandsvattensystem den näst största kolsänkan (19–41 Tg C y −1 ) ; bara skogar tar upp mer kol (125–223 Tg C y −1 ).
Marina ekosystem
Källor
I marina system kommer DOC från antingen autoktona eller alloktona källor. Autokton DOC produceras inom systemet, främst av planktonorganismer och i kustvatten dessutom av bentiska mikroalger, bentiska flöden och makrofyter, medan allokton DOC huvudsakligen är av landbaserat ursprung kompletterat med grundvatten och atmosfäriska tillförsel. Förutom jordhärledda humusämnen inkluderar markbunden DOC också material som lakats från växter som exporteras under regnhändelser, utsläpp av växtmaterial till atmosfären och avsättning i vattenmiljöer (t.ex. flyktigt organiskt kol och pollen), och även tusentals syntetiska mänskliga gjort organiska kemikalier som kan mätas i havet i spårkoncentrationer.
Upplöst organiskt kol (DOC) representerar en av jordens största kolpooler. Den innehåller en liknande mängd kol som atmosfären och överstiger mängden kol bundet i marin biomassa med mer än tvåhundra gånger. DOC produceras huvudsakligen i de ytnära skikten under primärproduktion och djurplanktonbetesprocesser . Andra källor till marin DOC är upplösning från partiklar, terrestra och hydrotermiska ventiler och mikrobiell produktion . Prokaryoter (bakterier och archaea) bidrar till DOC-poolen genom frisättning av kapselmaterial , exopolymerer och hydrolytiska enzymer , såväl som via mortalitet (t.ex. viral shunt ). Prokaryoter är också de huvudsakliga nedbrytarna av DOC, även om för några av de mest motsträviga formerna av DOC kan mycket långsam abiotisk nedbrytning i hydrotermiska system eller möjligen sorption till sjunkande partiklar vara den huvudsakliga borttagningsmekanismen. Mekanistisk kunskap om DOC-mikrob-interaktioner är avgörande för att förstå kretsloppet och distributionen av denna reservoar med aktivt kol.
Växtplankton
Växtplankton producerar DOC genom extracellulär frisättning som vanligtvis står för mellan 5 och 30 % av deras totala primärproduktion, även om detta varierar från art till art. Icke desto mindre förstärks denna frisättning av extracellulär DOC under höga ljus- och låga näringsnivåer, och bör därför öka relativt från eutrofa till oligotrofa områden, förmodligen som en mekanism för att skingra cellulär energi. Växtplankton kan också producera DOC genom autolys under fysiologiska stresssituationer, t.ex. näringsbegränsning. Andra studier har visat DOC-produktion i samband med meso- och makrozooplankton som livnär sig på växtplankton och bakterier.
Zooplankton
Zooplankton-medierad frisättning av DOC sker genom slarvig matning , utsöndring och avföring som kan vara viktiga energikällor för mikrober. Sådan DOC-produktion är störst under perioder med hög födokoncentration och dominans av stora djurplanktonarter.
Bakterier och virus
Bakterier ses ofta som de huvudsakliga konsumenterna av DOC, men de kan också producera DOC under celldelning och viruslys . De biokemiska komponenterna i bakterier är i stort sett desamma som andra organismer, men vissa föreningar från cellväggen är unika och används för att spåra bakteriehärledd DOC (t.ex. peptidoglykan ). Dessa föreningar är utbredda i havet, vilket tyder på att bakteriell DOC-produktion kan vara viktig i marina system. Virus är de vanligaste livsformerna i haven och infekterar alla livsformer inklusive alger, bakterier och djurplankton. Efter infektion går viruset antingen in i ett vilande ( lysogent ) eller produktivt ( lytiskt ) tillstånd. Den lytiska cykeln orsakar störningar av cellen/cellerna och frisättning av DOC.
Vänster sida: klassisk beskrivning av kolflödet från fotosyntetiska alger till betar och högre trofiska nivåer i näringskedjan. Höger sida: mikrobiell loop, med bakterier som använder löst organiskt kol för att få biomassa, som sedan återgår till det klassiska kolflödet genom protister.
Makrofyter
Marina makrofyter (dvs makroalger och sjögräs ) är mycket produktiva och sträcker sig över stora områden i kustvatten men deras produktion av DOC har inte fått mycket uppmärksamhet. Makrofyter frisätter DOC under tillväxt med en konservativ uppskattning (exklusive frisättning från ruttnande vävnader) som tyder på att makroalger frisätter mellan 1-39 % av sin brutto primärproduktion, medan sjögräs frisätter mindre än 5 % som DOC av sin brutto primärproduktion. Den frigjorda DOC har visat sig vara rik på kolhydrater, med hastigheter beroende på temperatur och ljustillgänglighet. Globalt har makrofytsamhällena föreslagits producera ~160 Tg Cyr −1 av DOC, vilket är ungefär hälften av den årliga globala floden DOC-tillförsel (250 Tg Cyr −1 ) .
Marina sediment
Marina sediment representerar de huvudsakliga platserna för OM-nedbrytning och begravning i havet, och är värd för mikrober i tätheter upp till 1000 gånger högre än vad som finns i vattenpelaren . DOC-halterna i sediment är ofta en storleksordning högre än i den överliggande vattenpelaren. Denna koncentrationsskillnad resulterar i ett fortsatt diffusivt flöde och antyder att sediment är en viktig DOC-källa som frigör 350 Tg Cyr −1 , vilket är jämförbart med tillförseln av DOC från floder. Denna uppskattning är baserad på beräknade diffusiva flöden och inkluderar inte återsuspensionshändelser som också frigör DOC och därför kan uppskattningen vara konservativ. Vissa studier har också visat att geotermiska system och petroleumläckage bidrar med föråldrad DOC till djuphavsbassängerna, men konsekventa globala uppskattningar av den totala insatsen saknas för närvarande. Globalt grundvatten för en okänd del av sötvattens DOC-flödet till haven. DOC i grundvatten är en blandning av markbundet, infiltrerat marint material och in situ mikrobiellt framställt material. Detta flöde av DOC till kustvatten kan vara viktigt, eftersom koncentrationerna i grundvatten generellt är högre än i kustnära havsvatten, men tillförlitliga globala uppskattningar saknas för närvarande.
Handfat
De huvudsakliga processerna som tar bort DOC från havets vattenpelare är: (1) Termisk nedbrytning i t.ex. undervattens hydrotermiska system ; (2) bubbelkoagulering och abiotisk flockning till mikropartiklar eller sorption till partiklar; (3) abiotisk nedbrytning via fotokemiska reaktioner ; och (4) biotisk nedbrytning av heterotrofa marina prokaryoter . Det har föreslagits att de kombinerade effekterna av fotokemisk och mikrobiell nedbrytning representerar de viktigaste sänkorna av DOC.
Termisk nedbrytning
![Removal of refractory DOC in the ocean Phytoplankton production and food web dynamics in surface waters release a diverse mixture of dissolved molecules with varying reactivities. Bacteria and archaea utilize labile and semi-labile forms of DOC in surface and mesopelagic waters of the upper ocean, leaving behind a vast reservoir of refractory DOC (RDOC) that persists in the ocean for millennia. The ocean is a patchy environment that harbors a great diversity of microbes and physicochemical processes with the potential to remove refractory DOC when these molecules encounter environmental conditions and microbes that can degrade them. Physical mixing transports refractory DOC throughout the ocean realm and thereby increases the likelihood of its removal. Deep ocean waters can be entrained into hydrothermal circulation and associated DOC can be removed by thermal degradation. Sinking particles from the upper ocean release labile DOC (LDOC) that triggers hot spots of microbial activity and primes the removal of refractory molecules. Mixing of subsurface waters into sunlit waters exposes refractory DOC to warmer temperatures and photochemical processes that can mineralize and transform refractory molecules into simple compounds (e.g., pyruvate, formaldehyde) for rapid microbial utilization. Thus, it appears the lifetime of refractory molecules in the ocean is regulated by the rate of global overturning circulation (GOC). This relationship indicates a slowing of GOC could lead to an increase in the reservoir size of refractory DOC, assuming a constant production rate of refractory DOC (inset panel).[100]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c6/Removal_of_refractory_DOC_in_the_ocean.webp/725px-Removal_of_refractory_DOC_in_the_ocean.webp.png)
Avlägsnande av eldfast DOC i havetVäxtplanktonproduktion och näringsvävens dynamik i ytvatten frigör en mångsidig blandning av lösta molekyler med varierande reaktivitet. Bakterier och arkéer använder labila och semi-labila former av DOC i ytvatten och mesopelagiska vatten i övre havet, och lämnar efter sig en stor reservoar av eldfast DOC (RDOC) som finns kvar i havet i årtusenden. Havet är en fläckig miljö som hyser en stor mångfald av mikrober och fysikalisk-kemiska processer med potential att ta bort eldfast DOC när dessa molekyler möter miljöförhållanden och mikrober som kan bryta ner dem. Fysisk blandning transporterar eldfast DOC genom hela havsriket och ökar därmed sannolikheten för att den tas bort. Djupt havsvatten kan dras in i hydrotermisk cirkulation och tillhörande DOC kan avlägsnas genom termisk nedbrytning. Sjunkande partiklar från övre havet frigör labila DOC (LDOC) som utlöser heta punkter av mikrobiell aktivitet och förbereder avlägsnandet av eldfasta molekyler. Blandning av vatten under ytan i solbelysta vatten utsätter eldfast DOC för varmare temperaturer och fotokemiska processer som kan mineralisera och omvandla eldfasta molekyler till enkla föreningar (t.ex. pyruvat, formaldehyd) för snabb mikrobiell användning. Sålunda verkar det som om livslängden för eldfasta molekyler i havet regleras av hastigheten för den globala vältande cirkulationen (GOC). Detta förhållande indikerar att en avmattning av GOC kan leda till en ökning av reservoarstorleken för eldfast DOC, under antagande av en konstant produktionshastighet för eldfast DOC (infälld panel).
![Removal of refractory DOC in the ocean Phytoplankton production and food web dynamics in surface waters release a diverse mixture of dissolved molecules with varying reactivities. Bacteria and archaea utilize labile and semi-labile forms of DOC in surface and mesopelagic waters of the upper ocean, leaving behind a vast reservoir of refractory DOC (RDOC) that persists in the ocean for millennia. The ocean is a patchy environment that harbors a great diversity of microbes and physicochemical processes with the potential to remove refractory DOC when these molecules encounter environmental conditions and microbes that can degrade them. Physical mixing transports refractory DOC throughout the ocean realm and thereby increases the likelihood of its removal. Deep ocean waters can be entrained into hydrothermal circulation and associated DOC can be removed by thermal degradation. Sinking particles from the upper ocean release labile DOC (LDOC) that triggers hot spots of microbial activity and primes the removal of refractory molecules. Mixing of subsurface waters into sunlit waters exposes refractory DOC to warmer temperatures and photochemical processes that can mineralize and transform refractory molecules into simple compounds (e.g., pyruvate, formaldehyde) for rapid microbial utilization. Thus, it appears the lifetime of refractory molecules in the ocean is regulated by the rate of global overturning circulation (GOC). This relationship indicates a slowing of GOC could lead to an increase in the reservoir size of refractory DOC, assuming a constant production rate of refractory DOC (inset panel).[100]](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Removal_of_refractory_DOC_in_the_ocean.webp)
Termisk nedbrytning av DOC har hittats vid högtemperaturhydrotermiska åsflanker, där utflödes-DOC-koncentrationerna är lägre än i inflödet. Även om den globala effekten av dessa processer inte har undersökts, tyder nuvarande data på att det är en mindre DOC-sänka. Abiotisk DOC-flockning observeras ofta under snabba (minuters) förskjutningar i salthalt när sötvatten och havsvatten blandas. Flockning förändrar DOC:s kemiska sammansättning, genom att ta bort humusföreningar och minska molekylstorleken, omvandla DOC till partikelformiga organiska flockar som kan sedimentera och/eller konsumeras av betar och filtermatare , men det stimulerar också den bakteriella nedbrytningen av den flockade DOC. Effekterna av flockning på avlägsnandet av DOC från kustvatten är mycket varierande och vissa studier tyder på att det kan ta bort upp till 30 % av DOC-poolen, medan andra finner mycket lägre värden (3–6 %;). Sådana skillnader kan förklaras av säsongs- och systemskillnader i DOC:s kemiska sammansättning, pH, metalliska katjonkoncentration, mikrobiell reaktivitet och jonstyrka.
CDOM
Den färgade fraktionen av DOC (CDOM) absorberar ljus i blått- och UV-ljusområdet och påverkar därför planktonproduktiviteten både negativt genom att absorbera ljus, som annars skulle vara tillgängligt för fotosyntes, och positivt genom att skydda planktonorganismer från skadligt UV-ljus. Men eftersom effekterna av UV-skador och förmågan att reparera är extremt varierande, finns det ingen konsensus om hur UV-ljusförändringar kan påverka planktonsamhällena i stort. CDOM-absorptionen av ljus initierar en komplex rad fotokemiska processer, som kan påverka näringsämnen, spårmetaller och DOC kemiska sammansättning och främja DOC-nedbrytning.
Fotonedbrytning
Fotonedbrytning innebär omvandling av CDOM till mindre och mindre färgade molekyler (t.ex. organiska syror), eller till oorganiskt kol (CO, CO 2 ) och näringssalter (NH 4 − , HPO
2− 4 ). Därför betyder det generellt att fotonedbrytning omvandlar motsträviga till labila DOC-molekyler som snabbt kan användas av prokaryoter för biomassaproduktion och respiration. Men det kan också öka CDOM genom omvandling av föreningar som triglycerider, till mer komplexa aromatiska föreningar, som är mindre nedbrytbara av mikrober. Dessutom kan UV-strålning producera t.ex. reaktiva syreämnen, som är skadliga för mikrober. Effekten av fotokemiska processer på DOC-poolen beror också på den kemiska sammansättningen, med vissa studier som tyder på att nyligen producerad autokton DOC blir mindre biotillgänglig medan allokton DOC blir mer biotillgänglig för prokaryoter efter exponering för solljus, även om andra har funnit motsatsen. Fotokemiska reaktioner är särskilt viktiga i kustvatten som tar emot höga belastningar av markbaserad CDOM, med uppskattningsvis ~20–30 % av markbunden DOC som snabbt fotonedbryts och förbrukas. Globala uppskattningar tyder också på att fotonedbrytning av DOC i marina system producerar ~180 Tg Cyr -1 av oorganiskt kol, med ytterligare 100 Tg Cyr -1 av DOC som görs mer tillgängligt för mikrobiell nedbrytning. Ett annat försök till globala havsberäkningar tyder också på att fotonedbrytning (210 Tg Cyr −1 ) är ungefär samma som den årliga globala tillförseln av flod-DOC (250 Tg Cyr -1 ;), medan andra tyder på att direkt fotonedbrytning överstiger flod-DOC ingångar.
Motstridig DOC
DOC är begreppsmässigt uppdelat i labil DOC, som snabbt tas upp av heterotrofa mikrober, och den motsträviga DOC-reservoaren, som har ackumulerats i havet (enligt en definition av Hansell). Som en konsekvens av dess motsträvighet når den ackumulerade DOC genomsnittliga radiokolålder mellan 1 000 och 4 000 år i ytvatten och mellan 3 000 och 6 000 år i djuphavet, vilket indikerar att den kvarstår genom flera djuphavsblandningscykler mellan 300 och 1 400 år varje år. . Bakom dessa genomsnittliga radiokolåldrar döljer sig ett stort spektrum av åldrar. Follett et al. visade att DOC omfattar en bråkdel av den moderna radiokolåldern, såväl som DOC som når radiokolålder på upp till 12 000 år.
Distribution
Mer exakta mättekniker utvecklade i slutet av 1990-talet har möjliggjort en god förståelse för hur löst organiskt kol fördelas i marina miljöer både vertikalt och över ytan. Det är nu underförstått att löst organiskt kol i havet sträcker sig från mycket labilt till mycket motsträvigt (eldfast). Det labila lösta organiska kolet produceras huvudsakligen av marina organismer och konsumeras i ythavet och består av sockerarter, proteiner och andra föreningar som lätt kan användas av marina bakterier . Motstridigt löst organiskt kol är jämnt fördelat i vattenpelaren och består av högmolekylära och strukturellt komplexa föreningar som är svåra för marina organismer att använda såsom lignin , pollen eller humussyror . Som ett resultat består den observerade vertikala fördelningen av höga koncentrationer av labil DOC i den övre vattenpelaren och låga koncentrationer på djupet.
![Environmental processes controlling the apparent recalcitrance of oceanic DOC The dots represent DOC molecules and arrows represent physicochemical and biological processes that impact DOC concentration and molecular composition. In the surface ocean, DOC derived from primary production is rapidly remineralized or transformed through microbial degradation (black arrow), photochemical degradation (yellow arrow), or particle exchange (green arrow). Labile components are removed down the water column and DOC becomes diluted by processes, such as particle exchange (brown arrow), sediment dissolution (gray arrow), and microbial reworking (white arrow), which continue to alter, add, and/or remove molecules from the bulk DOC pool. Thus, the apparent recalcitrance of DOC in the ocean’s interior is an emergent property that is largely controlled by environmental context.[78]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/10/Environmental_processes_controlling_the_recalcitrance_of_oceanic_DOC.jpg/533px-Environmental_processes_controlling_the_recalcitrance_of_oceanic_DOC.jpg)
Miljöprocesser som kontrollerar den uppenbara motstridigheten av oceanisk DOCPrickarna representerar DOC-molekyler och pilar representerar fysikalisk-kemiska och biologiska processer som påverkar DOC-koncentration och molekylär sammansättning. I ythavet remineraliseras eller omvandlas DOC som härrör från primärproduktion snabbt genom mikrobiell nedbrytning (svart pil), fotokemisk nedbrytning (gul pil) eller partikelutbyte (grön pil). Labila komponenter avlägsnas ner i vattenpelaren och DOC späds ut genom processer, såsom partikelutbyte (brun pil), sedimentupplösning (grå pil) och mikrobiell omarbetning (vit pil), som fortsätter att förändra, lägga till och/eller ta bort molekyler från bulk DOC-poolen. Således är den uppenbara motstridigheten av DOC i havets inre en framväxande egenskap som till stor del styrs av miljökontexten.
![Environmental processes controlling the apparent recalcitrance of oceanic DOC The dots represent DOC molecules and arrows represent physicochemical and biological processes that impact DOC concentration and molecular composition. In the surface ocean, DOC derived from primary production is rapidly remineralized or transformed through microbial degradation (black arrow), photochemical degradation (yellow arrow), or particle exchange (green arrow). Labile components are removed down the water column and DOC becomes diluted by processes, such as particle exchange (brown arrow), sediment dissolution (gray arrow), and microbial reworking (white arrow), which continue to alter, add, and/or remove molecules from the bulk DOC pool. Thus, the apparent recalcitrance of DOC in the ocean’s interior is an emergent property that is largely controlled by environmental context.[78]](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Environmental_processes_controlling_the_recalcitrance_of_oceanic_DOC.jpg)
Förutom vertikala fördelningar har även horisontella fördelningar modellerats och samplats. I ythavet på ett djup av 30 meter finns de högre koncentrationerna av löst organiskt kol i södra Stilla havet, södra Atlanten och Indiska oceanen. På ett djup av 3 000 meter finns de högsta koncentrationerna i Nordatlantens djupvatten där löst organiskt kol från det högkoncentrerade ythavet avlägsnas till djupet. Medan i norra Indiska oceanen observeras hög DOC på grund av högt sötvattenflöde och sediment. Eftersom tidsskalorna för horisontell rörelse längs havsbotten är i tusentals år, förbrukas det eldfasta lösta organiska kolet långsamt på väg från Nordatlanten och når ett minimum i norra Stilla havet.
Som framväxande
Upplöst organiskt material är en heterogen pool av tusentals, troligen miljoner, organiska föreningar. Dessa föreningar skiljer sig inte bara i sammansättning och koncentration (från pM till μM), utan kommer också från olika organismer (växtplankton, djurplankton och bakterier) och miljöer (marklevande vegetation och jordar, kustnära ekosystem) och kan ha producerats nyligen eller tusentals år sedan. Dessutom kan även organiska föreningar som härrör från samma källa och av samma ålder ha utsatts för olika bearbetningshistorik innan de ackumulerades inom samma pool av DOM.
Inre ocean DOM är en mycket modifierad fraktion som finns kvar efter år av exponering för solljus, utnyttjande av heterotrofer, flockning och koagulering och interaktion med partiklar. Många av dessa processer inom DOM-poolen är förenings- eller klassspecifika. Till exempel är kondenserade aromatiska föreningar mycket ljuskänsliga, medan proteiner, kolhydrater och deras monomerer lätt tas upp av bakterier. Mikrober och andra konsumenter är selektiva i vilken typ av DOM de använder och föredrar vanligtvis vissa organiska föreningar framför andra. Följaktligen blir DOM mindre reaktivt eftersom det kontinuerligt omarbetas. Sagt på ett annat sätt, DOM-poolen blir mindre labil och mer eldfast med nedbrytning. När det omarbetas tillsätts organiska föreningar kontinuerligt till DOM-poolen i bulk genom fysisk blandning, utbyte med partiklar och/eller produktion av organiska molekyler av konsumentgemenskapen. Som sådan är de sammansättningsförändringar som sker under nedbrytning mer komplexa än det enkla avlägsnandet av mer labila komponenter och resulterande ackumulering av kvarvarande, mindre labila föreningar.
Motstridighet av löst organiskt material (dvs dess totala reaktivitet mot nedbrytning och/eller användning) är därför en framväxande egenskap. Uppfattningen om DOM-motståndskraft förändras under nedbrytning av organiskt material och i samband med alla andra processer som tar bort eller lägger till organiska föreningar till den aktuella DOM-poolen.
Den överraskande motståndskraften hos höga koncentrationer av DOC mot mikrobiell nedbrytning har behandlats av flera hypoteser. Den rådande uppfattningen är att den motsträviga fraktionen av DOC har vissa kemiska egenskaper som förhindrar nedbrytning av mikrober ("intrinsic stabilitetshypotes"). En alternativ eller ytterligare förklaring ges av "utspädningshypotesen", att alla föreningar är labila, men existerar i koncentrationer individuellt för låga för att upprätthålla mikrobiella populationer men tillsammans bildar en stor pool. Utspädningshypotesen har fått stöd i nyare experimentella och teoretiska studier.
DOM-isolering och analys
DOM finns i låga koncentrationer i naturen för direkt analys med NMR eller MS . Dessutom innehåller DOM-prover ofta höga koncentrationer av oorganiska salter som är oförenliga med sådana tekniker. Därför är det nödvändigt med ett koncentrations- och isoleringssteg av provet. De mest använda isoleringsteknikerna är ultrafiltrering , omvänd osmos och fastfasextraktion . Bland dem anses fastfasextraktion vara den billigaste och enklaste tekniken.
Se även
externa länkar
- Hansell DA och Carlson CA (Eds.) (2014) Biogeochemistry of Marine Dissolved Organic Matter , Andra upplagan, Academic Press. ISBN 9780124071537 .
- Stone, Richard (18 juni 2010). "Marin biogeokemi: Den osynliga handen bakom en stor kolreservoar". Vetenskap . 328 (5985): 1476–1477. Bibcode : 2010Sci...328.1476S . doi : 10.1126/science.328.5985.1476 . PMID 20558685 .