19. februar 2019

En kulstofpumpe sikrer høj produktion i tætte vandplantebestande

Ferskvandsbiologi

Det er velkendt, at vandplanter fælder kalk, som fremmer omdannelse af bikarbonat til CO2optagelse ved fotosyntesen Men derved forbruges ekstra uorganisk kulstof fra vandet, som kan hæmme den fortsatte fotosyntese. Nu har ny forskning fra Biologisk Institut, Københavns Universitet vist, at der kører en kulstofpumpe i lavvandede planterige søer, som sikrer kalkens genopløsning i bundvandet og natlig opblanding af det opløste kulstof til overfladevandet. Det er forudsætningen for morgendagens fotosyntese.

Tæt vegetation i de undersøgte vandplantebestande. Foto: Bjarne Moeslund

I en ny videnskabelig artikel i tidsskriftet Aquatic Sciences påviser forskere fra Ferskvandsbiologisk Sektion på Biologisk Institut under ledelse af Professor Kaj Sand-Jensen en hidtil overset mekanisme, der sikrer vedvarende høj primærproduktion i tætte bevoksninger af kransnålalger i små lavvandede søer på trods af yderst næringsfattigt vand. Mekanismen hviler på en kombination af fysiske, kemiske og biologiske processer. De fungerer som en pumpe, der sikrer, at uorganisk kulstof effektivt cirkuleres og genbruges.

- ”At vi måtte kombinere fysik, kemi og biologi for at forstå, hvordan kulstofpumpen fungerer, er måske det, som fascinerede os allermest. Derfor udviklede forståelsen sig også gradvist over nogle år, siger Mikkel Andersen. Det fysiske kom først. Vi undersøgte små 0,5-0,7 meter dybe søer tæt bevokset med kransnålalger og opdagede, at de udviklede voldsomme temperaturforskelle (springlag) fra typisk 25 grader ved overfladen til 15 grader ved bunden på sommerdage. Om natten blev overfladevandet afkølet og tungere, så vandpakker sank ned gennem vegetationen til søbunden og skabte omrøring og ensvarme forhold. Næste dag skete der atter lagdeling efterfulgt af natlig omrøring.”

Det kan forekomme mærkeligt, at ferskvandsbiologer har så stor fokus på fysiske og kemiske processer. Men i lagdelte søer skaber de biologiske processer markante kemiske forskelle mellem overfladen i lys og søbunden i mørke. Ved omrøring og nedbrydning af springlaget udviskes de kemiske forskelle igen. Mange ved, at dybe søer udvikler permanente springlag over mange sommermåneder, så der opstår iltsvind ved bunden, fiskene søger bort og kun de mest robuste bunddyr overlever. Det ganske særlige i de lavvandede planterige søer viste sig at være, at der hver dag opstår kraftig overmætning af ilt i overfladevandet pga. fotosyntese, samtidigt med at ilten forsvinder i mørket ved bunden under den tætte vegetation pga. respiration. Ved nattens omrøring får bundvandet igen tilført ilt fra overfladevandet.

- ”Under studiet af det daglige iltsvind og den natlige ilttilførsel ved søbunden indså vi, at kulstoffets historie var lige så spektakulær, tilføjer Kaj Sand-Jensen. Om dagen forbruges omkring 40% af det uorganiske kulstof i overfladevandet ved indbygning i organisk stof og udfældning af kalk (kalciumkarbonat) ved fotosyntese. Udfældningen sker sandsynligvis som små kalkkrystaller, som synker til bunden. Her genopløses kalken  af CO2fra nedbrydning af organisk stof. Ved omrøring af vandmassen om natten injiceres det uorganiske kulstof igen i overfladevandet til brug ved næste dags fotosyntese.”

Figur:. Skematisk illustration af omsætningen om dagen (tv.) og natten (th.) i tæt kransnålalgevegetation, som næsten når til vandoverfladen i lavvandede søer. Om dagen opstår et springlag mellem varmt vand ved overfladen og koldere vand ved bund. Fotosyntesen ledsages af iltovermætning og høj pH ved overfladen og udfældning af uorganisk kulstof (DIC) som kalk (CaCO3). Respirationen ved søbunden forbruger ilt og frigør CO2, som genopløser udfældet kalk. Om natten omrøres vandsøjlen og de kemiske forskelle forsvinder.

Er fænomenet med daglige iltsvind og en kulstofpumpe et specialtilfælde? Næppe! Den skiftende dannelse af springlaget hver dag og nedbrydningen hver nat, har nemlig vist sig at være et generelt fænomen i små lavvandede søer selv med ret sparsom vegetation. Lavvandede småsøer og damme findes i titusinder i Danmark og i mange millioner alene i Europa. Men fænomenet optræder sandsynligvis også i tætte vandplantebestande nær bredden i større søer; Gentofte Sø og Farum Sø ligger lige for. I tropiske søer med daglig etablering og nedbrydning af springlaget cirkulerer kulstoffet måske endog i de frie vandmasser med mikroalger.Fremmer kulstofpumpen primæreproduktione i større temperede og tropiske søer? Det er vigtige spørgsmål for fremtidig forskning.