Havets plankton bremser klimaændringer
Havet opsuger i dag en stor del af de drivhusgasser, som menneskeheden udleder. Det sker bl.a. takket være 'den biologiske pumpe', hvor havets små organismer er med til at sende CO2 mod havets bund.

Krill fanges ved hjælp af såkaldte Bongo-net. Forsøgene med krill foregår i store forsøgsflasker på 13 liter. På dette foto ses en krill i et prøveglas før den lægges ned i de større forsøgsflasker. Nærbilledet viser Meganyctiphanes norvegica. (Foto: Wikipedia/Uwe Kils)

 

Hvert forår sker der en massiv opblomstring af alger i Nordatlanten. Opblomstringen varer typisk 2-3 uger, og koncentrationen af alger bliver så høj, at man fra rummet kan se dem som store grønne områder i det ellers blå hav.

Når algerne vokser, sætter de gang i et dræn af klodens CO2, den såkaldte 'biologiske pumpe', som fjerner CO2 fra atmosfæren og sender det ned på havets bund. Her bliver det lagret permanent og kan således ikke længere virke som drivhusgas og bidrage til klimaændringer.

I Nordatlanten er algeopblomstringen stor, og derfor er pumpen også meget stærk. Det gør Nordatlanten til et helt oplagt sted at studere havets rolle i fjernelsen af menneskeskabt CO2 fra atmosfæren.

28 forskere om bord

I foråret deltog vi i en seks uger lang ekspedition med havforskningsskibet Meteor på Nordatlantens bølger som led i projektet EURO-BASIN, der er koordineret af DTU-Aqua.

Om bord var vi en international gruppe på i alt 28 forskere, som hver havde deres forskningsprojekt.

DTU-Aqua's forskergruppe havde til opgave at undersøge, hvordan nogle af havets hidtil mere oversete organismer påvirker den biologiske pumpe. For mens nogle organismer bidrager til at hive CO2 ud af atmosfæren, så er der andre, som nærmere får pumpen til at køre langsommere.

Vi fokuserede på to hovedgrupper: mikroorganismer (dvs. virus, bakterier og encellet dyreplankton) og krill (lyskrebs), som er større dyreplankton.

Havets kulstofkredsløb

Mikroorganismer og krill har ikke meget tilfælles, men begge grupper har afgørende betydning for, hvor stor en andel af kulstoffet fra luften, som ender i bundvandet.

Mikroorganismerne omsætter alger og dødt organisk materiale, hvorved de frigiver næringssalte og CO2 til vandet.

Krill, derimod, æder alger og dyreplankton og omdanner dem til tunge fækaliepiller fyldt med kulstof, som hurtigt synker ned på havets bund.

Man kan dermed sige, at krillen forstærker den biologiske pumpe, mens mikroorganismerne bremser den ved at holde det organiske stof i overfladen. Dog ved man endnu meget lidt om begge gruppers rolle i Nordatlantens økosystem.

Fakta

Artiklen er skrevet i samarbejde mellem Maria Lund Paulsen (m.sc.-studerende), Karen Riisgaard (ph.d.-studerende), Mette Dalgaard Agersted (ph.d.- studerende), Line Reeh (kommunikationsmedarbejder) og Torkel Gissel Nielsen (dr. scient og professor). Alle er tilknyttet DTU-Aqua.

Der er andre vigtige aktører i havets kulstofkredsløb end mikroorganismer og krill, for eksempel vandlopperne – havets mest talrige flercellede organisme.

Ligesom krill omsætter vandlopperne alger, og de er vigtig føde for fiskeyngel og derfor et centralt led i havets fødekæde. Men da vandlopperne i Nordatlanten allerede er meget velbeskrevne, har vi valgt at se bort fra dem i denne artikel.

Krill accelererer den biologiske pumpe

Krill er rejelignende krebsdyr og er efter vandlopper den næststørste gruppe af dyreplankton i havet.

Krill lever af mindre plankton såsom alger og mindre dyreplankton, mens de selv bliver ædt af større dyr som fisk, hvaler og havfugle.

Krill har den specielle adfærd, at de om dagen opholder sig nede i mørket for at undgå at blive ædt af rovdyr, mens de om natten svømmer op til de øvre vandlag for selv at æde plankton.

Fordi krill æder om natten, for efterfølgende at svømme ned om dagen, kan det betyde, at deres fækalier bliver udskilt på dybere vand end der, hvor de har ædt. Det betyder, at deres adfærd medvirker til en forstærkning af den biologiske pumpe ved at accelerere transporten af kulstof ned mod havets dyb.

Krill-fækalier har nemlig et højt indhold af kulstof og er så tunge, at de kan synke flere hundrede meter om dagen.

Natarbejde og Bongo-net

Da krillene er tæt på overfladen om natten, er det også på dette tidspunkt, at de er lettest at fange. På ekspeditionen arbejdede 'krill-holdet' derfor hovedsageligt om natten.

Krill-holdet var dog langtfra alene om natten, da skibets mange andre forskere ikke kun arbejdede i dagtimerne. Nogle undersøgte forskelle i planktonsamfundet eller havets fysik mellem dag og nat. Andre arbejdede blot om natten, fordi et forskningsskib er dyrt i drift (225.000 kr. pr. døgn), så tiden skal bruges fuldt ud.

For at undersøge krillens mulige rolle i den biologiske pumpe, blev der lavet forskellige forsøg om bord på skibet.

Efter krillene var blevet fanget med et såkaldt Bongo-net, blev de puttet i flasker som var fyldt med naturligt havvand, som indeholdt forskellige typer af alger og dyreplankton.

Krillene æder alt, de får serveret

Havets pelagiske fødenet består af mange størrelsesgrupper. Her vises strømmen af kulstof gennem forskellige led af fødekæden. (Grafik: Britta Munter.)

Her fik krillene lov til at svømme rundt og æde i et døgn. Ved at måle indholdet af plankton i det vand, som krillene svømmede rundt i ved forsøgets start og så igen efter 24 timer, er det muligt at beregne, hvor meget plankton krillene æder.

Indtil videre tyder vores analyser af resultaterne på, at krillene æder alt, hvad der bliver serveret for dem, dvs. alt fra alger til vandlopper.

Det betyder altså, at hvis der ikke er alger til stede, som for eksempel om vinteren, så vil krillene ernære sig af andet plankton. Krill sender derfor kulstof bundet i fækalier ned mod havets bund året rundt og er dermed flittige aktører i den biologiske pumpe.

 

Det usynlige dyreplanktons rolle

Det kan være svært at forestille sig, hvordan dyr mindre end spidsen af en knappenål kan spille en rolle i den biologiske pumpe, men i kraft af deres enorme antal får de får de små dyreplankton faktisk afgørende betydning.

Både deres krop og deres fækalier er så små, at det ikke kan synke. De bliver derfor hængende i vandet, hvor de omsætter havets kulstof og via respirationen omdanner kulstof til CO2, hvilket modvirker den biologiske pumpe.

For at undersøge mikroorganismernes rolle i fødenettet lavede vi en række forsøg, hvor vi undersøgte, hvem der spiser hvem.

 

Kulstof i fødenettet året rundt

I forsøgene talte vi antallet af bakterier, små alger, encellede dyr (kaldet heterotrofe nanoflagellater), som spiser bakterier og større encellede dyr (kaldet mikrodyreplankton), som spiser de mindre encellede dyr gennem en tidsperiode på 10 dage og kunne se udviklingen i de forskellige grupper.

Ud fra resultaterne kunne vi også beregne, hvor stor en mængde opløst organisk kulstof bakterierne optager og sender videre gennem mikroorganismernes fødenet.

Overaskende så vi at selv i vintermåneder, hvor de større alger ikke vokser, er der alligevel en vækst af bakterier og encellede dyr. Altså cirkuleres betydelige mængder kulstof i mikroorganismernes fødenet hele året rundt.

 

Bakterier og det opløste kulstof

En ukendt faktor i havets biologiske pumpe er alle de opløste organiske kulstofsholdige forbindelser, som flyder rundt i vandet. Det kan for eksempel være aminosyrer, DNA, rester af cellevægge eller kulhydrater, som er sivet ud af eller som bliver frigivet, når celler dør.

Alt dette kaldes opløst organisk kulstof, og tilsammen er mængden af dette kulstof mellem 40 og 100 gange større end det kulstof, der er bundet i de større organiske partikler såsom plankton og krill-fækalier.

Det internationale samarbejde EURO-BASIN går ud på at opnå en bedre forståelse for Nordatlantens økosystemer og samspillet med klimaændringer. Ekspeditionen omtalt i artiklen foregik om bord på det næsten 100 meter lange tyske forskningsskib R.V. Meteor og var den første af flere planlagte EURO-BASIN-ekspeditioner. (Foto: www.subseaworldnews.com)

Den samlede mængde af opløst organisk kulstof i havet er lige så stor som mængden af CO2 i atmosfæren.

 

Bakterier - havets mest talrige organismer

Bakterierne er de eneste organismer i havet, som kan optage og udnytte den store energipulje, der ligger i det opløste organiske kulstof.

De er havets mest talrige organismer (1 million pr. milliliter havvand), og da opløst organisk kulstof findes overalt i vandet, findes bakterier også i hele vandsøjlen.

Opløst organisk kulstof består af mange typer kulstof, hvoraf kun ca. 20 procent er let-omsætteligt for bakterierne. Det betyder, at de fleste bakterier i det dybe vand er mindre aktive end dem i overfladen, hvor der er mere let-omsætteligt opløst organisk kulstof.

 

Den biologiske pumpe bliver svækket

Langt det meste af det svært-omsættelige kulstof vil med tiden blive ført ned på havets bund.

I Nordatlanten har man anslået, at opløst organisk kulstof kan opholde sig i 4.000-6.000 år, før det bliver nedbrudt eller begravet i havbunden, dvs. det er så godt som trukket ud af jordens CO2-regnskab.

Ud fra vores målinger af vandsøjlen kunne vi bl.a. se, at en øget algevækst ved overfladen gav en højere koncentration af opløst organisk kulstof, og dermed en stigning i antallet af både bakterier og små encellede dyr, som lever af at æde bakterier.

Vi så altså en høj aktivitet hos mikroorganismer og dermed en svækkelse af den biologiske pumpe.

 

Danner også grundlag for liv dybt vandet

Bakteriernes rolle i forhold til den biologiske pumpe er dog langt fra entydig. Langt de fleste er afhængige af organisk kulstof som energikilde (man siger, at de er heterotrofe), og de står samlet set for den største forbrænding af organisk materiale til CO2 i havet. Derfor er de overordnet med til at modvirke en ophobning af kulstof i havet.

På den anden side danner bakterierne hele grundlaget for, at der overhovedet kan være så meget liv i havet, da de er et vigtigt led i omsætningen af næringssalte, som er forudsætning for, at algerne kan vokse år efter år.

Ligeledes kan de i kraft af deres evne til at udnytte det opløste organiske kulstof sende energi videre op gennem fødekæden og således danne grundlag for liv dybt nede i vandet, hvor algerne ikke kan vokse.

 

Kan vi forstærke den biologiske pumpe?

Havets planteplanktonmængde (vist som koncentrationen af klorofyl-a) fotograferet fra satellit i maj, 2012. Ekspeditionens fokusområde i Nordatlanten er indrammet af cirkel. (Kilde: NASA OceanColor)

Ligesom man på land forsøger at binde CO2 ved at plante træer, har man i havet eksperimenteret med at forstærke den biologisk pumpe ved at øge algernes vækst.

En måde at gøre det på er ved at gøde havet.

For at kunne lave fotosyntese behøver algerne flere forskellige næringssalte, som de optager fra havvandet. Ved stor algevækst bliver næringssaltene brugt hurtigere end mikroorganismerne kan nå at omsætte dem, hvilket begrænser eller helt stopper algevæksten.

I Nordatlanten er det næringsstoffet kvælstof, som er afgørende for, hvor meget planktonalgerne kan vokse.

Ved Antarktis har det i mange havområder derimod vist sig at være jern, der er det begrænsende næringsstof. Ved at gøde havet med jern i nogle områder i Antarktis, har man kunnet understøtte en øget prduktion hos algerne og derved forøge optaget af kulstof fra atmosfæren og stimulere den biologiske pumpe.

 

Havets rolle er et kæmpe puslespil

Det er imidlertid ikke uproblematisk at manipulere et økosystem.

At tilføre ekstra næringsstoffer kan føre til opblomstring af giftige alger eller af alger med ringe fødekvalitet, hvilket vil være dårligt for økosystemet.

Og selvom havet måske ser relativt ens ud fra overfladen, uanset hvor man befinder sig i verden, så har vi at gøre med et yderst mangfoldigt økosystem, som derfor kan reagere uforudsigeligt.

At forstå havets rolle i den globale kulstofbalance er et kæmpe puslespil.

Kun med store projekter som EURO-BASIN får vi mulighed for at sætte vores viden sammen med andre forskeres, og får dermed en enestående mulighed for at samle de manglende brikker i Nordatlantens økosystem.

Denne viden er i høj grad nødvendig for at vurdere styrken af den biologiske pumpe og om tiltag, som for eksempel tilsætning af næringssalte, rent faktisk kan få havet til at fortsætte med at rydde op efter os.

Havets optag af CO2 sker primært ved to processer:

Den fysiske pumpe, hvor CO2 fra atmosfæren ved kontakt med havets overflade vil søge ligevægt med atmosfærens CO2-indhold.

Kemiske reaktioner medvirker til, at der vil være et stadigt optag af CO2 ved overfladen, så længe overfladevandet blandes ned. Denne pumpe fastholder dog kun CO2 over en begrænset tidshorisont (maks. 1.000 år). Herefter vil CO2 afgasse igen, når det blandes op til overfladen, hvor det nu har et højere CO2-indhold end atmosfæren.

Den fysiske pumpe er tæt koblet til havets dybvandsdannelse (se Aktuel Naturvidenskab nr. 3/2007).

1 procent kulstof synker mod havets dyb

Den biologiske pumpe er det eneste naturlige dræn for kulstof på jorden, som kan begrave CO2 over geologisk tid. Den sætter i gang, når algerne optager CO2 eller HCO3- (bicarbonat) og ombygger dette til organisk kulstof. Dette ædes af både større dyreplankton og mikroorganismer gennem komplekse fødekæder.

Langt det meste kulstof respireres i vandmasserne, men en mindre del (ca. én procent) af kulstoffet vil i sidste ende synke mod havets dyb både i form af døde planktonceller og fækalier fra dyreplankton og vil begraves her over geologisk tid og i sidste ende blive til fossilt kulstof.

Pumpernes kraft varierer ift. årstiden

Endnu en betydelig del af havets organiske kulstof er de mindste opløste kulstof-forbindelser, som når ned i dybhavet ved fysisk nedblanding og kan blive der i 5.000-6.000 år.

Hvilken pumpe, der begraver mest kulstof, varierer over året og fra område til område. I reglen vil den biologiske kulstofpumpe være stærkest over sommeren, hvor der sker stor opbygning og nedsynkning af organisk materiale.

Den fysiske pumpe er som regel stærk over vinteren, når der er kraftig nedblanding af overfladevandet.

Så meget vokser/aftager organismerne

Resultat fra forsøg, som viser, hvordan forskellige grupper af mikroorganismer vokser/aftager i antal over 10 dage, giver en ide om, hvem der spiser hvem.

I havvand, som er suget gennem et filter med huller på 0,8 µm, slipper kun bakterier igennem. Dermed er der intet encellet dyreplankton, som kan spise bakterierne, og derfor vokser antallet af bakterier i dette vand stabilt gennem perioden. Derimod aftager antallet af bakterier i det vand, der er filtreret ved 10 µm og 50 µm.

Grunden er, at her spises bakterierne af de små encellede dyr (heterotrofe nanoflagellater), som er sluppet igennem de større filtre. Antallet af heterotrofe nanoflagellater aftager dog efter dag 6.

Det skyldes, at det større encellede dyreplankton, som æder nanoflagellaterne, stiger i antal. Vi kan ud fra kurverne beregne, hvor meget de forskellige grupper kan spise om dagen.