Skrytý zdroj silného skleníkového plynu poháňaný slnečným žiarením

Pojem skleníkový plyn často spomenie na oxid uhličitý (CO ₂ ), a to oprávnene, keďže je kľúčovým prispievateľom k zvyšovaniu globálnej teploty. Avšak silnejšou znečisťujúcou látkou a skleníkovým plynom, ktorý sa často prehliada, je oxid dusný (N ₂ O). Molekula za molekulu, N ₂ O je 300-krát silnejší ako CO ₂ a hromadí sa v atmosfére rýchlejšie, ako sa očakávalo.

Nedávna štúdia výskumníkov z Dánska a Španielska identifikovala novú abiotickú (nie biologickú) cestu produkcie N ₂ O v povrchových vodách, nazývanú fotochemodenitrifikácia, poháňanú slnečným žiarením. Zistili, že tento proces produkuje N ₂ O vyššou rýchlosťou ako biologické metódy, ako je oxidácia amoniaku, ktorá bola predtým považovaná za primárny zdroj emisií N ₂ O v povrchových vodách.

Štúdia zahŕňa experimenty vykonané v dvoch sladkovodných nádržiach v juhovýchodnom Španielsku (Cubillas a Iznájar) a dvoch morských pobrežných oblastiach (Motril na pobreží Španielska a Boknis Eck v juhozápadnom Baltskom mori).

Metodológia štúdie:

• Študijné lokality: Experimenty sa uskutočnili v eutrofných nádržiach Cubillas a Iznájar, ktoré prijímajú vysoké množstvo živín z poľnohospodárskych a mestských oblastí. Taktiež boli zahrnuté pobrežné vody Motril v Alboránskom mori, ktoré je považované za najproduktívnejšiu oblasť Stredozemného mora, a časová séria stanice Boknis Eck v juhozápadnom Baltskom mori, ktorá je dlhodobo monitorovaná.
• Experimenty na stanovenie produkcie N2O: Bolo vykonaných osem inkubačných experimentov (experimenty 1 až 8) na testovanie vplyvu slnečného žiarenia na abiotickú produkciu N2O za prirodzených oxických podmienok. V experimentoch 7 a 9 bola kvantifikovaná aj biologická produkcia N2O.
  • Experimenty 1 až 3: Abiotická produkcia N2O bez pridania značkovacieho izotopu (nefiltrovaná voda) v sklenených guľových fľašiach priepustných pre UV a viditeľné žiarenie a v tmavých kontrolách s inhibíciou biologickej aktivity pomocou chloridu ortuťnatého (HgCl2). Vzorky boli inkubované jeden až sedem dní na plávajúcej platforme.
  • Experiment 4: Abiotická produkcia N2O bez pridania značkovacieho izotopu (filtrovaná voda cez 0.7 μm filtre) v kremenných fľašiach s tmavými kontrolami a inhibíciou biologickej aktivity pomocou HgCl2. Merala sa koncentrácia NH4+, NO2- a NO3- spolu s N2O v rôznych časových bodoch. Merala sa aj intenzita slnečného žiarenia (UVB a PAR).
  • Experimenty 5 a 6: Produkcia ¹⁵N₂O s pridaním ¹⁵NO₂⁻ a ¹⁵NO₃⁻ ako značkovacích izotopov vo filtrovanej vode z Cubillas a Motril pobrežia v kremenných fľašiach s tmavými kontrolami a HgCl2. Sledovala sa tvorba ⁴⁵N₂O a ⁴⁶N₂O.
  • Experiment 7: Produkcia ¹⁵N₂O s pridaním ¹⁵NO₂⁻ a ¹⁵NO₃⁻ (pre abiotické podmienky s HgCl2) a ¹⁵NH₄⁺ (pre biologické podmienky) vo vode z Boknis Eck v kremenných fľašiach s tmavými kontrolami.
  • Experiment 8: Vplyv HgCl2 na fotochemickú produkciu ¹⁵N₂O s pridaním ¹⁵NO₂⁻ vo filtrovanej vode z Boknis Eck v kremenných fľašiach s tmavými kontrolami, s porovnaním prítomnosti a neprítomnosti HgCl2.
  • Experiment 9: Biologická produkcia ¹⁵N₂O z oxidácie amoniaku s pridaním ¹⁵NH₄⁺ v nádržiach Cubillas a Iznájar v tme pri in situ teplote.
• Analýza N2O: Koncentrácia rozpusteného N2O sa stanovovala pomocou plynovej chromatografie (GC) s detektorom elektrónového záchytu. Pre experimenty s ¹⁵N značkovaním sa koncentrácia ⁴⁴N₂O, ⁴⁵N₂O a ⁴⁶N₂O a izotopové pomery merali pomocou GC-IRMS.
• Výpočet produkčných rýchlostí: Fotochemické produkčné rýchlosti N2O sa vypočítali z nárastu koncentrácie N2O (alebo prebytočného ¹⁵N-N2O) v čase expozície slnečnému žiareniu. Biologické produkčné rýchlosti sa vypočítali z nárastu ¹⁵N-N2O počas celkovej doby inkubácie. Rýchlosti sa prepočítavali na objem vody, povrch fľaše a prijatú energiu slnečného žiarenia (PAR a UVB).

Key findings:

• Slnečné žiarenie poháňa abiotickú tvorbu N2O v sladkých aj morských vodách.
• V experimentoch 1 až 4 sa zistil signifikantný nárast koncentrácie N2O v ožiarených vzorkách v porovnaní s tmavými kontrolami, čo potvrdzuje fotochemickú produkciu N2O.
• Produkcia ⁴⁵N₂O a ⁴⁶N₂O z ¹⁵NO₂⁻ a ¹⁵NO₃⁻ bola signifikantne vyššia na slnku v Cubillas, Motril a (pre ¹⁵NO₂⁻) v Boknis Eck.
• Dlhodobejšia expozícia slnečnému žiareniu viedla k väčšej tvorbe N2O.
• Nárast koncentrácií ⁴⁵N₂O a ⁴⁶N₂O bol väčší pri pridaní ¹⁵NO₂⁻ ako pri pridaní ¹⁵NO₃⁻.
• Nezistili sa jasné rozdiely medzi sladkovodnými a morskými systémami, čo naznačuje, že reakcia môže závisieť viac od dostupnosti substrátu a slnečného žiarenia ako od typu systému alebo salinity.
• Pomer produkcie ⁴⁵N₂O k ⁴⁶N₂O koreloval s in situ dostupnosťou ¹⁴N-NO₂⁻ a ¹⁴N-NO₃⁻. Vyššia dostupnosť ¹⁴N podporovala tvorbu ⁴⁵N₂O.
• Nitrit sa v ožiarených vzorkách znižoval na koncentrácie pod detekčný limit, čo naznačuje jeho spotrebu pri fotochemickej produkcii N2O.
• HgCl2 inhiboval biologickú aktivitu, ale nemal konzistentný vplyv na fotochemickú produkciu N2O (Experiment 8). V niektorých prípadoch HgCl2 mierne znížil produkciu ⁴⁵N₂O a ⁴⁶N₂O, čo naznačuje možnú úlohu mikrobiálnych povrchov alebo procesov citlivých na HgCl2 pri abiotickej produkcii.
• Fotochemická produkcia N2O bola pozorovaná v rozsahu UVB (280 – 320 nm) a PAR (400 – 700 nm) žiarenia.
• V nádržiach Cubillas a Iznájar prispela aj biologická produkcia N2O z oxidácie amoniaku k celkovej koncentrácii N2O, hoci fotochemická produkcia bola tiež významná.

Zhrnutie záverov:

Štúdia preukázala, že slnečné žiarenie je významným faktorom prispievajúcim k abiotickej tvorbe oxidu dusného v rôznych vodných ekosystémoch. Tento proces závisí od dostupnosti anorganických foriem dusíka, najmä nitritu a nitrátu, a intenzity slnečného žiarenia. Zistenia naznačujú, že fotochemická produkcia N2O môže byť dôležitým, doteraz nedostatočne zohľadňovaným zdrojom emisií tohto významného skleníkového plynu z vodných povrchov.

Dodatočné materiály:

Súčasťou dokumentu sú aj doplnkové texty, obrázky (S1 až S7) a tabuľky (S1 až S8), ktoré poskytujú podrobnejšie informácie o experimentálnom nastavení, výsledkoch a štatistických analýzach. Spring

Práca je published in the magazine Science .

---

Slovník kľúčových pojmov

• Abiotický: Neživý, týkajúci sa fyzikálnych alebo chemických procesov, ktoré nie sú sprostredkované živými organizmami.
• Biotický: Živý, týkajúci sa procesov, ktoré sú sprostredkované živými organizmami.
• Oxid dusný (N₂O): Silný skleníkový plyn a látka poškodzujúca ozónovú vrstvu, ktorá sa prirodzene vyskytuje v atmosfére, ale jej koncentrácia sa zvyšuje v dôsledku ľudskej činnosti.
• Fotochemický: Týkajúci sa chemických reakcií, ktoré sú iniciované alebo urýchľované absorpciou svetla.
• Izotopový značkovač (tracer): Atóm s neobvyklým počtom neutrónov, ktorý sa používa na sledovanie cesty chemických látok alebo procesov v environmentálnych alebo biologických systémoch (v tomto prípade ¹⁵N).
• Nitrit (NO₂-): Anión dusíka, ktorý je medziproduktom v cykle dusíka, napríklad pri nitrifikácii a denitrifikácii.
• Nitrat (NO₃-): Najoxidovanejšia forma anorganického dusíka, dôležitá živina v mnohých ekosystémoch.
• Amoniak (NH₄+): Forma dusíka, ktorá vzniká rozkladom organickej hmoty a je oxidovaná pri nitrifikácii.
• Sladkovodné nádrže: Umelé vodné útvary vytvorené zadržiavaním tokov riek, často používané na zásobovanie vodou, zavlažovanie a rekreáciu.
• Morské pobrežné oblasti: Časti oceánu, ktoré sa nachádzajú blízko pobrežia a sú ovplyvnené pevninskými procesmi.
• Účinnosť kvantového výťažku: Počet molekúl, ktoré prejdú špecifickou reakciou na jeden fotón absorbovaného svetla.
• Headspace: Plynný priestor nad kvapalnou vzorkou v uzavretej nádobe, ktorý sa používa na analýzu rozpustených plynov.
• Plynový chromatograf (GC): Prístroj používaný na separáciu a kvantifikáciu jednotlivých plynných zložiek v zmesi.
• Hmotnostný spektrometer izotopových pomerov (IRMS): Typ hmotnostného spektrometra, ktorý sa používa na meranie pomerov izotópov v chemických látkach.
• UVB žiarenie (280 – 320 nm): Časť ultrafialového žiarenia zo Slnka, ktorá môže mať škodlivé účinky na živé organizmy.
• PAR (fotosynteticky aktívne žiarenie, 400 – 700 nm): Časť slnečného žiarenia, ktorú rastliny a iné fotosyntetické organizmy využívajú na fotosyntézu.
• Eutrofný: Bohatý na živiny, často vedúci k zvýšenej primárnej produkcii a potenciálnym problémom s kvalitou vody.
• Oligotrofný: Chudobný na živiny, s nízkou primárnou produkciou.
• Monomiktický: Jazero, ktoré sa premiešava len raz ročne, zvyčajne počas zimy.
• Stratifikácia: Vytvorenie vrstiev vody s rôznou teplotou a hustotou, ktoré bránia miešaniu.
• Epilimnion: Teplejšia, dobre osvetlená povrchová vrstva stratifikovaného jazera.