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原子尺度可视化海洋溶解有机碳分子

溶解性有机碳(DOC)是地球最大的还原性碳库,质量约为生物圈的200倍,与大气CO₂库相当。然而,仅约10%的DOC被化学表征,这为预测这一巨大碳库如何应对升温等气候压力留下了关键认知空白。

IBM苏黎世研究院与苏黎世大学、加州大学欧文分校和圣克鲁兹分校的化学海洋学家合作,首成像了构成DOC的单个分子。研究成果发表于同行评审期刊《地球物理研究快报》,为海洋碳循环打开了新窗口。

揭开古老海洋碳之谜

DOC主要源自表层浮游植物,但放射性碳定年显示其平均年龄比预期古老约2400年,暗示部分碳经历了多次深水混合循环仍存活。主流假说归因于DOC的化学结构,但直到现在无法验证。

原子尺度可视化海洋溶解有机碳分子
左:5,6,8-三甲基-2,3-二氢-1H-环戊并[b]萘的AFM图像,一种深海分子。右:北太平洋深海分子的AFM图像。

跨学科合作突破新境

结合先进分析化学与海洋科学,团队采用原子力显微镜(AFM)在原子分辨率下捕获单个DOC分子——这项技术由IBM科学家2009年开创。AFM图像揭示决定DOC在海洋中行为的精确结构细节。

原子尺度可视化海洋溶解有机碳分子
左至右:Leo Gross(IBM苏黎世);Alysha Inez Coppola(苏黎世大学);Fabian Schulz(IBM苏黎世);Shadi Fatayer(IBM苏黎世)。

检查了北太平洋表层和2500米深度的样本。分析显示深水分子更平面、脂肪族基团更少,支持结构抗降解性支撑深海DOC古老年龄的观点。

DOC为何重要

DOC代表与大气相当的碳库。理解其结构韧性对预测变暖世界中海洋碳循环变化至关重要,尤其是污染持续加剧海洋生态系统负担时。可视化单个分子的能力为评估海洋健康、指导气候政策提供了有力工具。


低分子量海洋溶解有机碳中单个芳香化合物结构的直接可视化, DOI: 10.1029/2018GL077457

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