Förståelse av sötvattensrespirationens roll i kolcykeln – en omvärdering av den pelagiska respirationskvoten

Projekt: Forskning

Forskningsområden

Ämnesklassifikation (UKÄ)

  • Geovetenskap och miljövetenskap

Beskrivning

Respiration in freshwater and marine systems represents some of the largest carbon fluxes on Earth. Pelagic respiration is estimated by sensitive oxygen (O2) consumption methods, and converted to carbon dioxide (CO2) production by a fixed 1:1 ‘respiratory quotient’ (RQ). However, recent evidence shows that community RQs vary several-fold. Such variations are poorly understood and largely neglected, implying potential major errors in assessments of the role of aquatic systems in the carbon cycle.

This project brings together leading biogeochemists to bridge this knowledge gap, combining laboratory experiments with 3 years of freshwater field measurements to test the following novel hypotheses: 1) RQs are below 1 in eutrophic ecosystems due to reduced algal-derived substrates that mainly fuel the respiration; 2) Conversely, in oligotrophic systems the RQ is above 1 because of large shares respired substrates being photo-chemically produced organic acids with high oxidation state; 3) Moreover, communities that assimilate nitrogen (N) in the oxidized form nitrate have higher RQ compared to systems where organic N or ammonia is used. We propose pioneering work on freshwater RQs, performed in broadly distributes lakes in Sweden, that will improve and possibly alter the perceived role of freshwaters in the global carbon cycle. The project will provide a break-through in the mechanistic understanding of the parameter RQ which is fundamental for aquatic respiration assessment.

Investigators:

Martin Berggren, Lund University

Lena Ström, Lund University

Per Bengtson, Lund University

Populärvetenskaplig beskrivning

Alla levande celler frigör energi genom en process som heter cellandning eller respiration, vilket normalt leder till att koldioxid bildas och syre förbrukas. I den öppna vattenmassan i hav och sjöar, den så kallade pelagialen, sker en omfattande respiration. Världshavens pelagial frisätter många tiotals miljarder ton koldioxid varje år på detta sätt. Dock så balanseras dessa flöden av växtplanktonens fotosyntes som kan sägas vara respirations motsats, det vill säga koldioxid tas upp och syre avges. Forskare håller idag ett vakande öga över balansen mellan respiration och fotosyntes, som påverkar gasutbytet mellan vattnet och atmosfären. Generellt sker lite mer fotosyntes än respiration i havens ytliga skikt, vilket gör att planktonen totalt sett syresätter vattnet och avlägsnar koldioxid.

I sjöar ser dock gasutbytet med atmosfären annorlunda ut jämfört med i haven. I själva verket så avger insjöar och andra sötvatten uppemot några miljarder ton koldioxid till atmosfären varje år. Detta är mer än utsläppen från alla bilar på jorden. Farhågor växer om att dessa utsläpp till viss del skulle kunna orsakas av miljöförändringar som leder till ökat läckage av förorenande organiskt material från land till sötvatten. Organiskt material gör att respirationen ökar när mikroorganismer bryter ned detta. Tyvärr finns en stor kunskapsbrist om hur viktig den pelagiala respirationen är för koldioxidutsläppen från sötvatten. Det är ännu inte klarlagt om mänskliga utsläpp av organiskt material ger en betydande mängd växthusgaser eller inte. Detta beror i sin tur på att pelagial respiration är svårt att mäta då metoderna är osäkra.

Det här projektet syftar till att förbättra mätningarna av pelagisk respiration genom ny kunskap om en parameter som kallas för respirationskvot (förkortas RQ). Denna kvot talar om hur många koldioxidmolekyler som frigörs för varje molekyl av syrgas som konsumeras. När pelagisk respiration bedöms så sker detta genom att syrgasförbrukningen i vattnet mäts upp och räknas om till koldioxidenheter genom multiplikation med RQ. I över hundra år så har forskare trott att RQ i pelagialen är runt 1, men nya rön visar att kvoten kan variera från under 0,5 till över 4. Genom att anta ett felaktigt RQ-värde på 1 så riskerar vi att missbedöma den verkliga respirationen med flera hundra procent. I förlängningen så kan ett sådant antagande ge felaktiga bilder av kolets kretslopp på jorden och människans påverkan på växthusgasflödena.

Projektet genomförs i ett 20-tal sjöar från norr till Sverige och leds av docent Martin Berggren vid Lunds universitet, som har mer än 10 års erfarenhet av respirationsforskning. Övriga projektdeltagare är docent Per Bengtson och professor Lena Ström vid Lunds universitet, samt professor Jan Karlsson vid Umeå universitet; samtliga experter på olika aspekter av kolets kretslopp. Vi kommer att rekrytera en doktorand som är delaktig i genomförandet och publiceringen av resultaten. Mätning av RQ kommer att ske med en kammare som innesluter en del av vattnet och mäter gasutbytet mellan planktonen och omgivningen. Projektet planeras till uppåt fyra år, med fältstudier under de första tre åren och laboratorexperiment som successivt tar över under projektets två sista år.

Under det första året testas hypotesen att RQ i 20 sjöar ökar från värden under 1 i övergödda sjöar till värden långt över 1 i näringsfattiga sjöar. Detta väntas vara kopplat till ett ökande oxidationstal på det organiska kolet. Under år två och tre fokuserar fältstudierna på att utreda hur RQ varierar över tid och rum i fyra av sjöarna som väljs ut för detaljstudier. Laboratorieexperimenten kommer att testa en rad hypoteser kopplade till effekterna på RQ av olika typer av organiska material, näringsämnen samt processer i vattnet. Huvudhypoteser är att: 1) organiskt material från land ger högre RQ än organiskt material som kommer från alger i vattnet, 2) organiska föreningar som bildas när färgat organiskt material bleks av solljus leder till ökad RQ, 3) RQ blir högre när kväve tas upp i en oxiderad form (nitrat) jämfört med en reducerad form (ammonium).

Projektet kommer att avsevärt förbättra förståelsen för pelagisk respiration och dess betydelse för växthusgasutbytet mellan atmosfär och vatten. Ett väntat resultat är att utsläppen från plankton i sötvatten ger mer bidrag tillväxthusgaser än vad man tidigare har trott eftersom de flesta sjöar i världen är relativt näringsfattiga och väntas ha ett pelagialt RQ-värde över 1.
StatusPågående
Gällande start-/slutdatum2019/01/012023/12/31

Participants