La materia orgánica disuelta del océano es importante para la regulación del clima
Usando una técnica recientemente desarrollada, los investigadores han descartado una antigua fuente potencial de materia orgánica disuelta (DOM, por sus singlas en inglés) en los océanos del mundo.
La DOM es material orgánico, principalmente carbono, pero también algo de nitrógeno, azufre, oxígeno y otros elementos, que tiene un tamaño inferior a aproximadamente 0,7 micrómetros (más pequeño que una bacteria) y se disuelve en el agua de mar.
Debido a que la DOM es un importante reservorio de carbono, este hallazgo tiene implicaciones para el secuestro de carbono en las profundidades del océano (generalmente definida como el área donde la luz no puede penetrar, una profundidad de alrededor de 200 metros). La DOM puede existir en las profundidades del océano durante cientos o miles de años, aunque nadie está seguro de por qué persiste durante tanto tiempo.
La nueva investigación sugiere que la acumulación de DOM en las profundidades del océano ocurre con un aporte insignificante de compuestos orgánicos de azufre que se encuentran en los sedimentos oceánicos y, por lo tanto, rechaza una de las principales hipótesis de por qué persiste durante tanto tiempo.
"Nuestro artículo ayudó a abordar una pregunta persistente sobre el secuestro de carbono, rechazando una teoría de dónde provenía parte del carbono antiguo", dice Alexandra Phillips, autora principal de un artículo sobre la investigación. Phillips becaria postdoctoral en la UC Santa Barbara, pero realizó la investigación mientras era estudiante de posgrado en Caltech con Alex Sessions, profesor de geobiología.
El océano tiene tanto carbono en forma de DOM como dióxido de carbono en la atmósfera. Se cree que la DOM es importante para la regulación del clima porque esencialmente secuestra carbono durante prolongados períodos.
Phillips probó la hipótesis de que existe la DOM de vida extremadamente larga debido a las reacciones con el sulfuro de hidrógeno en los poros (el agua que fluye a través de los sedimentos en el fondo del océano), creando moléculas que luego se filtran de los sedimentos al océano.
Se sabe que tales reacciones hacen que las moléculas sean más resistentes a la degradación microbiana, y los científicos han relacionado previamente la creación de materia orgánica "sulfurada" en los sedimentos con eventos de enfriamiento en la historia de la Tierra.
Phillips, Sessions y sus colegas de Caltech, la Institución Scripps de Oceanografía y la Universidad de Oldenburg en Alemania, usaron isótopos de azufre para probar si estas reacciones de sulfuración también eran responsables de una parte significativa del carbono antiguo de las profundidades del océano.
Imagen: Recolección de muestras de agua de mar. Crédito: Alexandra Phillips
Phillips se dedicó en la escuela de posgrado en Caltech a mejorar las técnicas para la medición de isótopos de azufre. La abundancia de isótopos estables en una muestra determinada suele dar pistas sobre su origen. Por ejemplo, el azufre se presenta más comúnmente en dos formas: isótopos de azufre-32 y azufre-34 (con el isótopo de azufre-34 más pesado que contiene dos neutrones más que el azufre-32).
Analizar la abundancia relativa de cada isótopo en una muestra puede brindar información sobre los orígenes de la muestra. Por ejemplo, los microbios en áreas sin oxígeno usan sulfato (una molécula de azufre y oxígeno) como energía y crean sulfuro (un ion de azufre con carga negativa) como subproducto. Esta reacción es más rápida con el más liviano isótopo de azufre-32, que a su vez hace que el sulfuro resultante tenga más azufre-32.
Sin embargo, para el azufre, los grandes tamaños de muestra necesarios para medir con precisión la proporción de isótopos hicieron que fuera una forma poco práctica de estudiar la DOM. Es decir, hasta que Phillips y sus colegas desarrollaron una forma de analizar los isótopos de azufre a niveles muy bajos, lo que a su vez reduce el tamaño de las muestras necesarias de alrededor de 10 miligramos de DOM (lo que produce alrededor de 100 microgramos de azufre) a alrededor de 0,1 miligramos de DOM (lo que produce aproximadamente 1 microgramo de azufre).
En términos prácticos, es la diferencia entre filtrar solo 10 litros de agua de mar por muestra en lugar de 1.000 litros.
"Este es un ejemplo clásico de cómo la investigación fundamental para mejorar las técnicas de medición puede generar dividendos en términos de nueva ciencia", dice Sessions. "Con el trabajo de tesis de Alex ayudando a reducir los límites de detección de isótopos orgánicos de azufre en dos órdenes de magnitud, el análisis de DOM marina de repente se volvió bastante práctico".
Su medición se basó en quemar pequeñas cantidades de muestras de DOM aisladas y analizar con precisión la mezcla de gases resultante mediante espectrometría de masas. Esto permitió al equipo medir con gran detalle las proporciones de isótopos de cada gas que emerge. El Sessions Lab de Caltech ha estado refinando técnicas similares durante años, pero esta fue la primera prueba de campo de estos nuevos métodos de isótopos de azufre.
Imagen: La red alimentaria pelágica, que muestra la participación central de los microorganismos marinos en cómo el océano importa carbono y luego lo exporta a la atmósfera y al fondo del océano.
"Era como si fuéramos un martillo en busca de clavos", dice Phillips. "Pasamos tiempo desarrollando este asombroso método y estábamos ansiosos por aplicarlo para responder una gran pregunta. Este método realmente abrió las compuertas para posibles mediciones de azufre orgánico".
El equipo encontró señales de isótopos de azufre que no coincidían con una fuente sedimentaria. Las muestras, recolectadas en las profundidades de los océanos Pacífico y Atlántico, tenían mucho más azufre-34 de lo que se esperaría si el material se originara a partir de materia orgánica sulfurada.
Los investigadores también notaron que a medida que la abundancia relativa de azufre-34 disminuyó en sus muestras, las muestras también mostraron una pérdida general de azufre en relación con el carbono. Esto refutó aún más la hipótesis de que la materia orgánica sulfurada era la fuente faltante del carbono disuelto más antiguo del océano.
En cambio, las proporciones de isótopos de azufre eran casi idénticas a las que se encuentran en el fitoplancton, los organismos fotosintéticos microscópicos que constituyen la base de la red alimentaria marina. Los hallazgos ofrecen evidencia directa de que el fitoplancton es el origen del azufre y evidencia indirecta del origen de la DOM en general. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los compuestos que contienen azufre comprenden menos del 10 por ciento de la DOM típica.
"La mayoría de las personas que estudian el azufre lo usan solo como una ventana al ciclo del carbono, pero creo que este resultado muestra que la biología también es el punto de partida para el azufre", dice Phillips. "El azufre orgánico marino es mucho más dinámico de lo que esperábamos".
La investigación se publicó el 7 de octubre en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS): Novel sulfur isotope analyses constrain sulfurized porewater fluxes as a minor component of marine dissolved organic matter
