다시마 성장의 철분 제한은 바다 조림을 방해할 수 있습니다

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 607(2023) 이 기사 인용

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기후 변화를 완화하려면 이산화탄소 제거(CDR)와 배출 감소가 필수적입니다. 해양 거대조류 조림(OMA)은 뗏목에 있는 근해 다시마를 의도적으로 대규모로 해상에서 재배하는 현장 시험을 이미 진행 중인 CDR 방법입니다. 용존 철(dFe) 공급은 종종 해양 식물성 플랑크톤 성장을 제한하지만, 이 잠재적인 속도 제한 요인은 OMA 논의에서 간과되고 있습니다. 여기서 우리는 OMA의 유망한 후보로 간주되는 대표적인 다시마 종인 Macrocystis pyrifera의 성장 및 주요 생리적 기능에 대한 제한 dFe 농도를 결정합니다. 0.01-20.2 nM Fe' 범위의 해양 해수에 dFe를 첨가하면 Fe'는 용해된 무기 Fe(III) 종의 합이므로 생리적 기능이 손상되고 다시마 폐사가 발생합니다. 다시마의 성장은 M. pyrifera가 요구하는 것보다 1000배 낮은 해양 dFe 농도에서는 지속될 수 없습니다. OMA는 dFe 시비를 통해 근해 수역의 추가 교란을 요구할 수 있습니다.

해양 대형조류 조림(OMA)은 대기 중 CO2 수준 증가로 인한 기후 변화를 완화하기 위해 이산화탄소(CO2) 제거에 적합한 후보로 제안된 30개 이상의 해양 기술 중 하나입니다1,2. OMA는 다시마(해양 거대조류 또는 해조류, Laminariales 목)를 외해에 의도적으로 도입하여 고정된 해초 양식장에서 자라거나 뗏목과 같은 구조물에 부착된 해상 이동에 기반을 두고 있습니다1,3. 다시마는 온대 해안 해양 생태계에서 빽빽한 수중 침대('숲')를 형성하여 더 높은 영양 수준을 위한 서식지와 먹이를 제공하고 필수 질소 및 탄소 순환 서비스를 제공합니다. 그들은 바닷물에서 CO2를 흡수하고 광합성을 통해 유기물로 '고정'하지만 이 과정이 탄소 격리(즉, 100년 이상의 안전한 저장2,4)로 이어지는지 여부를 정량화하기 어렵습니다4. 그럼에도 불구하고, OMA 지지자들은 외해 식민지화를 통해 근해 해조류의 바이오매스가 증가하면 탄소 격리가 증가할 것이라고 생각합니다1,5. 이전 OMA 연구에서는 해초 성장을 유지하기에 충분한 다량 영양소 농도가 있는 지리적 지역을 결정했습니다6. 그러나 dFe와 같은 광합성에 필수적인 미량 금속은 외해 대부분에서 식물성 플랑크톤의 일차 생산을 제한하며7 OMA 논쟁에서 주요 누락되었습니다.

철분은 조류 광합성과 질소 흡수의 효소 활성 속도를 설정하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 생물학적 탄소 순환의 기능에 중요한 영향을 미치는 해양에서 가장 많이 연구된 미량 원소입니다8,9. 본 연구에 사용된 dFe의 농도는 dFe 생체 이용률을 가장 잘 모방하는 프록시인 용해된 무기 Fe(III) 종의 합계인 Fe'로 표현됩니다. dFe 농도는 지역과 깊이에 따라 다르며, dFe 가용성은 전 세계 해양의 1/3에서 일차 생산성을 제한합니다10. 이러한 희소성으로 인해 질산염(NO3-)과 같은 다량 영양소 재고가 부분적으로만 활용될 수 있는 고영양소 및 저엽록소(HNLC)라고 불리는 영역이 발생합니다7,11,12. 그러나 해안 바다에서는 강, 대기 유입 및 퇴적물이 중요하고 종종 지속적인 dFe 공급원이며, 하천 유입에 따라 농도는 ~0.1 ~ ~500nM입니다13,14. 연안 해역(여기서 해안선에서 대륙 가장자리의 바깥 가장자리까지 이어지는 물로 정의됨)은 퇴적물에서 나온 휴믹산 및 풀빅산과 같은 dFe 결합 리간드의 농도가 증가하기 때문에 외양에 비해 생물학적 이용 가능한 dFe 농도가 더 높습니다. 여백과 강변 소스15,16. 결과적으로, 이 해안 지역에 사는 조류는 일반적으로 dFe가 풍부합니다.

해조류의 경우 조직의 철분 함량과 전자 수송 및 색소 함량과의 관계가 많은 종에 대해 잘 문서화되어 있습니다11,17,19,20,21,22,23,24; 그러나 해조류의 주요 생리학적 기능(성장, 용존유기탄소(DOC) 생산, 광합성 및 질소 대사)에 대한 해수 dFe 농도의 역할은 이전에 연구된 적이 없으며 OMA 논의에서 지식 격차입니다8,11. 그러나 해양 식물성 플랑크톤을 포함한 다른 광합성 유기체에서 철이 수행하는 다각적인 역할과 많은 유사점이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 광독립영양생물에 있는 dFe의 최대 절반은 광합성, 즉 주로 광계 II(PSII)와 광계 I(PSI) 사이의 전자 수송에 사용됩니다9,26. dFe는 철이 풍부한 헴 그룹을 포함하는 NO3- 및 아질산염(NO2-) 환원효소를 사용하여 조류 색소의 합성, 호흡 및 질소 동화에 필수적입니다9,17,26,27,28. 이러한 생리학적 경로에 대한 철 매개 조절의 누적 효과는 궁극적으로 식물성 플랑크톤의 성장을 제어합니다. 해양 식물성 플랑크톤의 경우 dFe 농도는 주요 글로벌 탄소 저장고인 DOC(연간 660Pg C)의 방출을 조절합니다. 식물성 플랑크톤 DOC 생산량은 영양 가용성과 관련된 에너지 소산 메커니즘으로 dFe 제한으로 증가합니다. 분명히, dFe는 여러 해조류 생리학적 경로에 주요 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

9.56 nM (Fig. 2a). At concentrations of ≤ 20.2 nM Fe′, there was a substantial increase in the amount of DOC produced (0.43–1.56 μmol C gDW−1 h−1), which was not evident ≥ 45.2 nM Fe′ (Fig. 2b). When DOC production is considered for individual kelp replicates (Fig. 1a, replicates labelled R1-R6), higher rates are observed for those with tissue disintegration, indicating that fragmentation of kelp blades enhanced DOC release (Supplementary Fig. 3)37. At ≥ 45.2 nM Fe′ any DOC released by M. pyrifera was rapidly metabolised by bacteria yielding negative DOC production rates in these incubations (Fig. 2b)./p>

700 pM32 and may have been utilised by M. pyrifera. Note it was not possible to report Fe′ for the published dFe concentrations in Fig. 1b, as the additional data required for such calculations is not available (see Supplementary Fig. 2). However, a typical range of dFe of 0.1–0.6 nM would equate to an Fe′ of 0.11–1.49 pM (see Supplementary Equation)./p>