Кіріспе

Фитопланктон аз болатын мұхит аймақтары – бұл макроэлементтер жеткілікті мөлшерде болса да, фитопланктон мөлшерінің төмен және салыстырмалы тұрақты болатын мұхит аймақтары. Фитопланктон жасушалық функциялар үшін түрлі қоректік заттарға тәуелді. Макроэлементтер (мысалы, нитрат, фосфат, кремний қышқылы) әдетте мұхит суларында көп мөлшерде кездеседі және олар әдеттегі бақша тыңайтқыштарының құрамына кіреді. Микроэлементтер (мысалы, темір, мырыш, кобальт) көбінесе аз мөлшерде болады және іздік металдарды қамтиды. Макроэлементтер әдетте миллимолярлық концентрацияларда, ал микроэлементтер микро-нанмолярлық концентрацияларда кездеседі. Жалпы алғанда, азот мұхиттағы қоректік заттардың шектеуші факторы болып табылады, бірақ HNLC аймақтарында ол едәуір азайған емес. Керісінше, осы аймақтарда метаболизмге қолжетімді темірдің төмен концентрациясы байқалады. 1930-1980 жылдар аралығында темір мұхиттың микроэлементінің шектеуші факторы болуы мүмкін деген гипотеза болды, бірақ осы гипотезаны растау үшін теңіз суында темірді сенімді анықтауға жеткілікті әдістер болған жоқ. 1989 жылы Аляска шығанағының жағалау суларында темірге бай шөгінділердің жоғары концентрациясы анықталды. Дегенмен, ашық теңіздегі суларда темірдің концентрациясы және фитопланктонның өсуіне қажетті макроэлементтердің болуына қарамастан, өнімділік төмен болды. Жарық фотосинтез процесі үшін энергия көзі болып табылады, ал қоректік заттар органикалық заттардың құрамына енгізіледі. Фотосинтездің жүзеге асуы үшін нитрат және фосфат сияқты макроэлементтер жеткілікті мөлшерде және биологиялық қолжетімді формада болуы керек. 106(Көміртек):16(Азот):1(Фосфор) молекулалық қатынасын Редфилд, Кетчам және Ричардс (RKR) анықтады және ол Редфилд қатынасы деп аталады. Фотосинтез (түзу) және тыныс алу (кері) процесі мына теңдеумен көрсетіледі: {106CO2} + {16HNO3} + {H3PO4} + {122H2O} <=> {(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)} + {136O2} Фотосинтез белгілі бір макроэлементтердің жетіспеушілігінен шектелуі мүмкін. Алайда, Солтүстік Тынық мұхиты, Экваторлық Тынық мұхиты және Оңтүстік мұхитында макроэлементтер жеткілікті мөлшерде, сапада және биологиялық қолжетімді формада кездеседі, бұл олардың негізгі өндірістің жоғары деңгейін қолдауына мүмкіндік береді. HNLC аймақтарында макроэлементтердің болуы және фитопланктонның төмен қорлары фитопланктонның өсуін басқа биогеохимиялық процестердің шектеуі мүмкін екенін көрсетеді.

Ортақ сипаттамалары

HNLC аймақтары әлемдік мұхиттардың 20% құрайды және әртүрлі физикалық, химиялық және биологиялық ерекшеліктермен сипатталады. Бұл беткі суларда жыл сайын өзгеріп тұратын, бірақ басқа мұхит аймақтарымен салыстырғанда салыстырмалы түрде көп макроэлементтердің концентрациясы байқалады. Микроэлементтердің жетіспеуі кішкентай фитопланктон қауымдастықтарының қалыптасуына әкеледі. Мұхиттың өнімді аймақтарымен салыстырғанда, HNLC аймақтарында кремний қышқылының нитратқа қатынасы жоғары, себебі үлкен диатомдар, олардың опал кремний қабықтарын жасау үшін кремний қышқылы қажет болатын, аз таралған. Микроэлементтердің таралуы және макроэлементтердің салыстырмалы мөлшері планктон қауымдастығының құрылымында көрінеді. Мысалы, үлкен беттік ауданы мен көлемінің арақатынасы бар фитопланктонның таңдалуы нәтижесінде HNLC аймақтарында нано және пикопланктон басым болады. Бұл қатынас еріген қоректік заттарды тиімді пайдалануға мүмкіндік береді. Диатомдар сияқты ірі фитопланктон бұл аймақтарда энергиялық тұрғыдан өзін-өзі қамтамасыз ете алмайды. Бұл аймақтардағы кең таралған пикопланктонға прохлорококк (әдетте Солтүстік Тынық мұхитында кездеспейді), синекокк және әртүрлі эукариоттар жатады. Жайылымдық протистер осы кішкентай фитопланктонның мөлшері мен таралуын бақылайды. HNLC аймақтарындағы жалпы төменгі таза біріншілік өндіріс атмосфералық көмірқышқыл газының биологиялық сіңірілуін азайтады, сондықтан бұл аймақтар көмірқышқыл газының атмосфераға түсуіне себеп болатын көз ретінде қарастырылады.

Солтүстік Тынық мұхиты

Бірінші HNLC аймағының, яғни Солтүстік Тынық мұхитының ашылуы мен аталуы 1988 жылы жарияланған маңызды мақалада ресми түрде жарияланды. Темірді Солтүстік Тынық мұхитына Азия мен Аляскада пайда болатын шаң-тозаңдар, сондай-ақ континенттік шелфтен келетін темірге бай сулар жеткізеді, кейде Хайда ағындары сияқты ағындар арқылы. Темірдің концентрациясы жыл бойы өзгеріп тұрады. Мұхит ағымдары маусымдық атмосфералық үлгілермен басқарылады, ол темірді Курил-Камчатка шебінен батыс Субарктикалық Тынық мұхитына тасымалдайды. Темірдің осылай енгізілуі микроэлементтердің тереңдегі қорын қамтамасыз етеді, оны алғашқы өндірушілер судың терең қабаттарынан бетке көтерілген кезде пайдалана алады. Теңіз түбінің тереңдігі де HNLC аймақтарында фитопланктонның гүлденуін ынталандыруы мүмкін, себебі темір теңіз түбінен таралып, жақын суларда темірдің жетіспеушілігін азайтады. Аляска шығанағында жүргізілген зерттеулер Алясканың оңтүстік шелфі сияқты жағалау суларында фитопланктон гүлденуі жағалаудан алыс суларға қарағанда күштірек болатынын көрсетті. Аймақ еріген темірді қамтитын жанартау шаңымен тыңайды. Бірнеше күннен кейін фитопланктон гүлденуі ғарыштан көрінді. Солтүстік Тынық мұхиты HNLC аймағы болғанымен, ол Солтүстік Атлантикаға қарағанда салыстырмалы түрде көп мөлшерде биогендік кремний қышқылын өндіреді және экспорттайды, бұл диатомиялардың өсуін қолдайды. Жаңа өндіріс – биологиялық океанографияда азоттың мұхит ішінде қайта өңделу жолын сипаттау үшін қолданылатын термин. Осылайша, Экваторлық Тынық мұхиты үш ірі HNLC аймағының бірі болып саналады. Басқа ірі HNLC аймақтары сияқты, Экваторлық Тынық мұхиты темір сияқты іздік металдардың жетіспеушілігіне байланысты қоректік заттармен шектеледі. Экваторлық Тынық мұхиты атмосфералық шаңдың орнығуынан түсетін көздерге қарағанда Экваторлық астыңғы ағымнан (EUC) шамамен 7-10 есе көп темір алады. Мұздық кезеңдердің климаттық реконструкциялары шөгінді прокси жазбаларын пайдалана отырып, Экваторлық Тынық мұхиты қазіргі экваторлық мұхитқа қарағанда 2,5 есе өнімді болғанын көрсетті. Басқаша айтқанда, темірге бай атмосфералық шаңның жиналуынан гөрі, аймақтық жоғары көтерілудің күшеюі осы аймақта мұздық кезеңдерде неліктен жоғары бастапқы өнімділік байқалатынын түсіндіруі мүмкін. Солтүстік Тынық мұхиты мен Оңтүстік мұхитқа қарағанда Экваторлық Тынық мұхиты суларында биогендік кремний қышқылының деңгейі салыстырмалы түрде төмен, сондықтан диатомиялардың тұрақты қорына қолдау көрсетпейді. Солтүстік Атлантикада жиналған темір Солтүстік Атлантиканың терең суларына қосылады және термохалиндік айналым арқылы Оңтүстік мұхитқа тасымалданады. Ақырында Антарктиканың айналмалы суларымен араласып, жоғары көтерілу арқылы Оңтүстік мұхиттың беткі суларына темір мен макроэлементтерді жеткізеді. Сондықтан Оңтүстік мұхиттағы темірдің түсуі және алғашқы өндіріс Атлантика мұхитының үстіне орналасқан темірге бай Сахара шаңына сезімтал. Оңтүстік мұхиттың беткі суларына тікелей атмосфералық шаңның түсуі аз болғандықтан хлорофилл α концентрациясы төмен. Оңтүстік мұхиттағы жарық мөлшері маусымдық өзгерістерге байланысты күрт өзгереді, бірақ фитопланктонның өсуіне айтарлықтай кедергі келтірмейді. Оңтүстік Дрейк өткелінің зерттеулері осы құбылысты Крозет аралдары, Кергелен аралдары және Оңтүстік Джорджия мен Оңтүстік Сандвич аралдарының маңында байқады. Бұл аймақтар Антарктиданың шельфтік аймақтарымен және Оңтүстік мұхиттың аралдарымен шектеседі. Алғалардың өсуіне қажетті микроэлементтер шельфтерден түсетініне сеніледі. Оңтүстік мұхиттағы төмен температура фитопланктонның өсу қарқынына кері әсер етеді деп есептеледі. Бір апта бойы қайталап жүргізілген темірмен тыңайту зерттеулері бір рет тыңайтудан гөрі үлкен биологиялық жауап берді. Биологиялық жауаптың мөлшері сайттың биологиялық, химиялық және физикалық ерекшеліктеріне байланысты. Экваторлық және Солтүстік Тынық мұхиттарында кремний қышқылы темірмен тыңайтудан кейін қосымша өндірісті шектейді деп есептеледі, ал жарық Оңтүстік мұхитта қосымша өндірісті шектейді. Үлкен гүлдену реакциясы және қоғамдық өзгеріс HNLC аймақтарының үлкен бөліктерін тыңайту туралы экологиялық алаңдаушылықтарға әкелді. Бір зерттеу диатомиялар тыңайту эксперименттері кезінде басымдықпен өседі деп болжайды. Кейбір диатомиялар, мысалы псевдоницкия, нейротоксин домол қышқылын бөліп шығарып, жайылатын балықтарды улайды. Шаңның орнығуы фитопланктон гүлденуіне әкелмейді, егер орналасқан шаң темірдің дұрыс биожетімді түрінде болмаса. Сонымен қатар, темір өнімді маусымдарда орналасуы керек және беткі қоректік заттардың тиісті RKR қатынастарымен сәйкес келуі керек. Желмен тасымалданатын шаң Солтүстік жартышардың HNLC аймақтарына үлкен әсер етеді, себебі көбірек құрлық көбірек шаң жиналуына себеп болады. Оңтүстік мұхиттың құрлықтан оқшауланғандығына байланысты, ағындармен байланысты диффузия темірді HNLC аймақтарына жеткізеді.

Жайылды бақылау гипотезасы

Джон Уолш 1976 жылы тұжырымдаған жайылым гипотезасы гетеротрофтардың жайылуының жоғары қоректік заттар концентрациясы бар аймақтарда бастапқы өнімділікті басуын айтады. HNLC аймақтарында фитопланктонның жоғалуына микрозоопланктонның жемтігінен туындайтын әрекеті себеп болады. Ірі зоопланктонның жайылуы және адвективті араласу да фитопланктон қауымдастықтарының жоғалуының шағын бөлігіне жауапты. Ұдайы жайылым фитопланктонды төмен және тұрақты биомассамен шектейді. Осы жайылым қысымы болмаса, кейбір ғалымдардың пікірінше, шағын фитопланктон микроэлементтердің жетіспеуіне қарамастан гүлдейді, себебі шағын фитопланктонның темірге қажеттілігі аз және қоректік заттарды баяу сіңіре алады. Әрбір фактордың төмен өнімділікке қосқан үлесі әр HNLC аймағында өзгеше болуы мүмкін. Темірдің жетіспеуі кішкентай, темірге аз мұқтаж фитопланктонның жылдам өсуіне мүмкіндік береді, ал микрозоопланктонның жайылуы осы кішкентай фитопланктонның тұрақты қорын сақтап тұрады.

Тиімділік және тиімділік

Атмосферадан антропогендік көміртегін тиімді жою үшін темірмен тыңайту мұхит бетінен көміртегінің бөлшектерін едәуір алып тастап, оны терең мұхитқа тасымалдауды қажет етеді. Әлемдік деңгейде үздіксіз темірмен тыңайту жағдайында ғана атмосфералық көмірқышқыл газы 15-25 ппм-ға төмендеуі мүмкін. Тыңайту кезінде қауымдастықтардың диатомдарға қарай айқын ауысуы байқалды, бірақ түрлер құрамының өзгеруінің ұзақ мерзімді экологиялық салдары бар-жоғы әлі анық емес.

Энергия ресурстары

Келесі мәліметтер толыққанды теориялық сипатта. Іске асыру мүмкіндігін, бірлік ауданына қажетті темір концентрациясын, уақыт өте келе аумақтың көміртегіді сіңіру деңгейін, басқа микроэлементтердің қажеттігін, мұндай жүйенің қызметін қамтамасыз етуге кеткен энергия мөлшерін және жүйе өндіре алатын энергияның ықтимал көлемін анықтау үшін сынақтар қажет. Бұл жүйе экономикалық тиімділігін (биоотын өнімдерінің және көміртегілік несиелердің пайдалылығын) және тәуекелдерді басқаруды ескереді.

Өсу

Жайылым нәтижесінде балдырлар микрозоопланктонмен желінеді. Бұл тонау салдарынан көміртегінің 7-10% азы ғана мұхиттың түбіне жеткізіледі. Балдырларды судағы фермаларда өсіру, бұл HNLC аймақтарына тонау мәселесіз, егін жинау үшін балдыр өсіруге мүмкіндік береді. Егер судағы фермалардың жұмысы тоқтап қалса, онда фермаларда өсірілген балдырлар жайылым арқылы қайта пайдаланылады, бұл қоршаған ортаға зиян келтіруді шектейді.

Қолданылуы

Су бетіндегі фермаларда өсірілген балдырларды жинап, тағам немесе отын ретінде қолдануға болады. Барлық тірі организм липидтерден, көмірсулардан, аминқышқылдарынан және нуклеин қышқылдарынан құралған. Балдырдың толық массасын мал азығына, тыңайтқышқа немесе биокөмірге айналдыруға болады. Балдырлардан липидтерді бөліп алу арқылы липидтерден биодизель және қалған бөлігінен биокөмір жасауға да болады. Әрине, балдырларды теңіздің түбіне, жайылымдық қысымнан тыс, сіңіру үшін жіберуге болады.

Қамтамасыз ету

Бақыланатын жүзбелі фермада көміртегінің қанша мөлшері сақталғанын көрсету үшін бірлік көлеміндегі балдырлардың мөлшері анықтау үшін өнімнен үлгі алуға болады. Егер бұл көміртегі мұхиттың түбінде сақталса, онда көміртегілік кредиттерді дәл жасау үшін осы көрсеткішті пайдалануға болады. Мұхит түбінде көмірқышқыл газын сақтау зерттелмеген экожүйені жойып, жаңадан ашылмаған тіршілік формаларының жоғалуына себеп болуы мүмкін. Құрлықта көміртегіні тұтқындау кептірілген балдырлар арқылы жүзеге асырылады. Жеткілікті су көздері болмаса, бактериялар мен басқа тіршілік иелері сақталған балдырларды қорытуда қиындыққа тап болады. Сатылмаған және жаңартылатын отын ретінде қолданылмаған биоотынды қолданыстан шығарылған мұнай ұңғымалары мен көмір шахталарында сақтауға болады. Биодизельдің көлемі және биокөмірдің массасы көміртегілік кредиттерді өндіру (сақтау кезінде) және сату (ұңғымалар мен шахталардан алу кезінде) үшін нақты деректерді ұсынуы мүмкін.