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Ozeankohlenstoff auf atomarer Skala

Dissolved Ocean Carbon (DOC) im Ozean ist einer der größten Pools an reduziertem Kohlenstoff auf der Erde. Es ist etwa 200-mal größer als die lebende Biosphäre und vergleichbar mit dem atmosphärischen CO2 Reservoir. Aufgrund seiner Komplexität wurden weniger als 10 Prozent des gelösten organischen Kohlenstoffs charakterisiert. Es ist wichtig zu verstehen, was dieser Kohlenstoffspeicher ist, damit wir vorhersagen können, wie dieser Kohlenstoffspeicher auf steigende Temperaturen durch den Klimawandel reagiert.

Wissenschaftler von IBM Research – Zurich haben sich mit chemischen Ozeanographen der Universität Zürich, der University of California Irvine und der University of California Santa Cruz zusammengetan, um die Moleküle im ozeanischen gelösten organischen Kohlenstoff abzubilden. Diese Methode ermöglicht es Meeresforschern, die Struktur einzelner Moleküle in Tiefseebecken zu untersuchen, um den Kohlenstoffkreislauf der Ozeane besser zu verstehen. Unsere Forschung erscheint heute in der von Experten begutachteten Zeitschrift Geophysical Research Letters.

Mysteriöse Angelegenheit

Während gelöster organischer Kohlenstoff hauptsächlich aus dem modernen Phytoplankton von der Oberfläche des Ozeans stammt, ist das Durchschnittsalter (bestimmt durch Radiokarbon-Datierung) paradoxerweise etwa 2.400 Jahre älter, als wir erwarten würden! Dies deutet darauf hin, dass ein Teil des Kohlenstoffs mehrere Vermischungszyklen der Tiefsee überlebt. Es gibt mehrere umstrittene Paradigmen, um dieses Rätsel zu erklären. Eine wichtige Theorie besagt, dass die lange Persistenz des Kohlenstoffs der Tiefsee durch seine chemische Struktur erklärt wird. Die Struktur des gelösten organischen Kohlenstoffs wurde jedoch bis jetzt noch nie abgebildet.

Links :AFM-Bild mit einer CO-funktionalisierten Spitze von 5,6,8-Trimethyl-2,3-dihydro-1H-cyclopenta[b]naphthalin, einem Molekül aus der Tiefsee. Rechts:AFM-Bild mit einer CO-funktionalisierten Spitze eines Moleküls, das im tiefen Nordpazifik gefunden wurde.

Überwindung von Barrieren durch synergetische Kooperationen über Disziplinen hinweg

Neue Werkzeuge in der analytischen Chemie zusammen mit der chemischen Ozeanographie überwinden die Barrieren, um eine umfassendere Einschätzung des oberflächen- und tiefgelösten organischen Kohlenstoffs zu erlangen. Die Komplexität der Verbindungen in gelöstem organischem Kohlenstoff ist enorm. Dieser ozeanische Kohlenstoffpool enthält viele tausend verschiedene Moleküle. Bei IBM verwenden wir ein Rasterkraftmikroskop (AFM), um einzelne Moleküle mit atomarer Auflösung abzubilden, um ihre Molekülstruktur zu identifizieren – eine Methode, die 2009 von IBM-Wissenschaftlern erfunden wurde.

Von links rechts Leo Gross, IBM Research – Zürich; Alysha Inez Coppola, Universität Zürich; Fabian Schulz, IBM Research – Zürich und Shadi Fatayer, IBM Research – Zürich

In unserer Forschung haben wir Proben von gelöstem Ozeankohlenstoff von der Oberfläche und den tiefen (2.500 m) Gewässern des Nordpazifiks aufgelöst, um den Grund für die Widerspenstigkeit des gelösten organischen Kohlenstoffs in den Ozeanen aufzuklären.

Unsere Ergebnisse weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Molekülen an der Oberfläche und denen in der Tiefe hin. Im Vergleich dazu sind Moleküle aus tiefen Gewässern planarer und weisen weniger aliphatische Gruppen auf als Moleküle an der Oberfläche. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass das hohe Alter des gelösten organischen Kohlenstoffs der Tiefsee mit seiner strukturellen Widerspenstigkeit zusammenhängt.

Warum sollten wir uns um gelösten organischen Kohlenstoff kümmern?

Gelöster organischer Kohlenstoff ist ein riesiges Kohlenstoffreservoir, das ungefähr der Menge an Kohlenstoff in unserer Atmosphäre entspricht. Um den Kohlenstoffkreislauf zu verstehen und zu verstehen, wie er sich in Ozeanen bei wärmeren Temperaturen verändert, müssen wir die Widerspenstigkeit hinter diesem alten Pool von gelöstem organischem Kohlenstoff im Meer verstehen.

In einer Welt, in der das Meerwasser Tag für Tag immer stärker verschmutzt wird, und im Hinblick auf den Weltumwelttag wird diese Methode es Meereswissenschaftlern ermöglichen, einzelne chemische Strukturen in den Ozeanbecken zu untersuchen, den Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen und aufzudecken die „Gesundheit“ unserer Ozeane.


Direkte Visualisierung einzelner aromatischer Verbindungsstrukturen in gelöstem organischem Kohlenstoff mit niedrigem Molekulargewicht , DOI:10.1029/2018GL077457


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