Quá trình tổn thất nitơ đang xảy ra trầm trọng ở biển Ả-Rập

Các nhà khoa học nghiên cứu về Vi sinh vật biển thuộc Viện nghiên cứu Max Planck, Đức, và các đồng nghiệp đã phát hiện ra quá trình vi khuẩn khử nitơ là con đường chính dẫn đến việc mất mát nitơ trầm trọng ở vùng biển Ả Rập.

Biển Ả Rập là một phần của Ấn Độ Dương và được bao bọc bởi Ấn Độ, Pakistan, Oman và Somalia.

Quá trình nitơ hoá sinh học (là một quá trình hai bước), bắt đầu bằng việc ammôniắc được chuyển thành nitrít bởi vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó nitrít bị ôxy hoá thành nitrát do vi khuẩn Nitrobacter, sau đó các vi sinh vật có khả năng sử dụng các nguồn nitơ từ nitrít và nitrát cho việc hô hấp (khử nitơ) và để sinh trưởng.

Nitơ là một chất dinh dưỡng thiết yếu và là một yếu tố hữu hạn đối với tất cả sự sống trên hành tinh của chúng ta. Nó hiện diện trong các protein và DNA. Trong các đại dương, quá trình sinh học điều chỉnh nồng độ và thông lượng các hợp chất nitơ sinh học có liên quan như ammonia, nitrite và nitrate thường xuyên diễn ra cung cấp dưỡng chất cho các sinh vật biển. Một lượng lớn khí nitơ được phát thải vào bầu khí quyển, có nguồn gốc từ chuỗi thức ăn của sinh vật biển. Các yếu tố để cân bằng hệ thống này thì phức tạp hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.

Hiện nay, các nhà khoa học nghiên cứu về vi sinh vật biển thuộc Viện nghiên cứu Max Planck, Đức và các đồng nghiệp đã có một cái nhìn mới về các quá trình sinh học ở biển Ả Rập.

Chuỗi thức ăn của các sinh vật biển có chứa một lượng rất lớn của các hợp chất carbon hữu cơ. Chu kỳ carbon là tương tác với cả hai phân tử của oxy hòa tan (O₂) và chu kỳ nitơ.

Hậu quả của quá trình nóng lên của khí hậu toàn cầu đã làm giảm lượng oxy hòa tan, thêm vào đó là các dòng nước thải chảy vào các đại dương có chứa các hợp chất hữu cơ từ nền văn minh của con người tiếp tục làm suy giảm lượng oxy hòa tan. Do đó, các vùng nước thiếu oxy hoặc khu vực tối thiểu oxy (OMZ), mà lúc mới phát hiện chỉ chiếm thấp hơn 1% khối lượng oxy hòa tan của các đại dương trên toàn cầu nhưng những khu vực này lại là thủ phạm chính chịu trách nhiệm làm mất mát đến 30-50% lượng nitơ tồn tại trong các đại dương trên toàn cầu.

Các vùng nước thiếu oxy hoặc khu vực tối thiểu oxy (OMZ) hiện đã và đang lây lan trên toàn thế giới trong vài thập kỷ qua. Điều này sẽ dẫn đến sự mất mát lượng Ni tơ nhiều hơn nữa trong tương lai gần.

Các bến cảng ở Biển Ả Rập đóng vai trò là 1 trong 3 khu vực tối thiểu oxy (OMZ) lớn nhất trên thế giới và gây ra sự mất mát khoảng 10-20% của tổng lượng nitơ bị tổn thất ở tất cả các đại dương trên phạm vi toàn cầu. Như vậy đến nay, quá trình vi khuẩn khử nitơ là con đường chính dẫn đến sự mất mát nitơ ở vùng biển Ả Rập, thông qua việc giảm từng bước của quá trình biến đổi hóa học nitrate thành nitrite. Sau đó là oxit nitric, oxit nitơ và cuối cùng là giảm lượng khí nitơ sinh ra.

Các nghiên cứu trước đó từ các tác giả khác tuyên bố khu vực oxy thấp và nồng độ nitrite cao đồng thời là một biểu hiện của quá trình khử nitơ đang diễn ra, nhưng các phép đo hoạt động thực tế này thì còn rất hạn chế. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu Vi sinh vật biển đến từ Viện Max Planck, Đức, bao gồm: Phyllis Lam, Marlene Jensen và Marcel Kuypers, đã hợp tác với các nhà khoa học đến từ Kiel, Oldenburg, Hamburg, Aarhus (Đan Mạch), Nijmegen (Hà Lan) và Princeton (Mỹ ) để theo dõi các bước phản ứng riêng trong chu trình nitơ thông qua việc nhận diện các hợp chất với đồng vị ổn định của nitơ 15N. Ngoài ra, Các nhà nghiên cứu cũng đã xác định được các vi sinh vật chịu trách nhiệm và biểu hiện hoạt động của gen dấu ấn sinh học tương ứng.

Phát hiện mới này là điều bất ngờ, bởi khu vực trung tâm phía đông bắc của biển Ả Rập, nơi được cho là thành trì đã được chứng minh rằng gần như không có hoạt động gây tổn thất nitơ trong các nghiên cứu trước đây. Các nhà khoa học giải thích nồng độ nitrite cao tìm thấy ở đây là do sự sụt giảm của lượng nitrate diễn ra chậm và sự hạn chế trong quá trình oxy hóa amoniac. Cả hai phản ứng này có thể diễn trong điều kiện oxy thấp và tạo ra nitrite như một sản phẩm cuối cùng. Dữ liệu vệ tinh trong suốt 10 năm qua cho thấy rằng việc sinh sôi của thực vật phù du bề mặt trong khu vực này ở mức dưới trung bình. Nguyên do là sự biến mất của các chất hữu cơ làm cho lượng nitrite không thể giảm hơn nữa. Cùng với việc lưu thông nước quá chậm chạp làm cho nitrite được tích lũy trong khu vực của biển Ả Rập.

Ngược lại, ở phần phía Tây Bắc ngoài khơi bờ biển Oman, nơi mà trước đây được cho là không có hiện tượng tổn thất nitơ theo các nhà nghiên cứu hiện đã phát hiện hoạt động tổn thất nitơ rất cao. Như thể hiện trong các ấn phẩm của các nhà khoa học, hai phản ứng trong chu trình nitơ giữ vai trò quyết định: phản ứng anammox (quá trình oxy hóa kỵ khí ammonia) và biến đổi dị hóa nitrat thành amoniac (DNRA). Giống như trong một câu chuyện trinh thám, các nhà khoa học tìm thấy bằng chứng sự hiện diện của các hợp chất đồng vị ổn định của nitơ (15N). Khi tăng gấp đôi (15N), khí nitơ được hình thành từ nitrit thông qua một sự kết hợp của phản ứng anammox và phản ứng DNRA. Phản ứng DNRA cung cấp amoniac cần thiết cho phản ứng anammox, amoniac và nitrit cần thiết cho quá trình tạo thành khí nitơ. Thêm bằng chứng từ các nghiên cứu biểu hiện gen cho thấy các gen vi khuẩn đã tích cực tham gia vào các quá trình này. Chính vi khuẩn đã làm cầu nối cho hai phản ứng DNRA-anammox. Ngoài ra còn có một số phản ứng anammox riêng lẻ. Điều này giải thích cho việc mất mát lượng lớn nitơ trong những vùng biển này.

Tiến sĩ Marcel Kuypers, giám đốc Viện nghiên cứu Max Planck, Đức cho biết: "Phát hiện của chúng tôi phù hợp với những kết quả nghiên cứu trước đây của chúng tôi ở các khu vực tối thiểu oxy OMZs khác, như các vùng biển ngoài khơi của Peru, Chile và Namibia, nơi chúng tôi cũng tìm thấy phản ứng anammox đóng vai trò chính làm tổn thất lượng nitơ. Nồng độ nitrite cao ở khu vực đông bắc trung tâm biển Ả Rập có lẽ là những dấu vết cuối cùng của các sự kiện trước đây mà hiện nay đang chững lại."

Tiến sĩ Phyllis Lam đến từ Viện Max Planck, Đức cho biết thêm "Trong tương lai, Biển Ả Rập vẫn còn là khu vực nghiên cứu chính của chúng tôi, bởi những phản ứng hóa học ở đó có tác động mạnh mẽ đến sự cân bằng nitơ toàn cầu. Không thể khẳng định rằng lượng nitơ được sản sinh ra trong tự nhiên vẫn giữ nguyên trong suốt cả năm theo mùa vụ và lượng nitơ tổn thất ngày càng tăng sẽ tiếp tục làm giảm số lượng của khí nitơ thải vào bầu khí quyển và trái đất. Nguyên nhân chính là do các hoạt động xâm hại đến môi trường tự nhiên của con người. Thật không may, các hoạt động cướp biển sẽ không cho phép các cuộc thám hiểm nghiên cứu sâu hơn nữa ở khu vực này trong thời gian tới".