Операция Blue carbon. Водоросли-макрофиты как гаранты устойчивости климата планеты

Фотографии И.В. Рыжик

Мы живем в любопытный период развития нашей планеты – в период изменения климата. Как бы мы ни относились к этому явлению, принимали или отрицали, оно происходит, но причины его разнообразны. Несмотря на разногласия между учёными, можно выделить две основные: естественный ход развития планеты и человек со своей хозяйственной деятельностью. Если с естественными процессами мы ничего не можем сделать, то повлиять на свою собственную деятельность в состоянии; один из путей – научиться улавливать и консервировать углекислый газ. Это более вероятный путь, который может привести нас к успеху и позволит замедлить происходящие процессы.

Для этого существуют два основных направления.

Во-первых, создание технологий и установок, которые позволяют улавливать углекислый газ и повторно использовать его для повседневных нужд, например, в медицине, для производства огнетушителей и т.д. Или консервировать, выводя из круговорота на сотни лет. Технологии консервирования предусматривают геологическое хранение СО2, путём закачивания его в плотном состоянии в резервуары под землю или в глубины океана; на данный момент в мире разрабатывается минимум три таких проекта. Но при всех плюсах таких подходов всё равно есть один большой минус – либо используется дополнительная энергия, либо химические вещества, которые не всегда безопасны для окружающей среды. 

Во втором направлении нам на помощь приходит сама природа, а именно происходящие в ней процессы фотосинтеза*. Растения способны, используя энергию солнечного света, преобразовывать углекислый газ и воду в сложные органические вещества и временно выводить СО₂ из атмосферы. Эти процессы постоянно происходят в наземных экосистемах, например, в тропических лесах, лугах, в тайге.

В водных экосистемах также живут растения (водоросли, морские травы) и проходят процессы фотосинтеза. Эти экосистемы можно рассматривать как резервуары, в которых будет «храниться» углекислый газ, поглощённый из атмосферы. Огромное значение как «хранители» углекислого газа имеют болота, солевые марши, мангровые заросли, в океане – заросли макрофитов и фитопланктон.

Голубые подводные леса и путешествие углерода

Хотя водоросли и морские травы занимают лишь небольшую часть морского дна, они способны поглощать и переводить в нерастворимое состояние пятую часть от общего объёма, содержащегося в океане углерода и, таким образом, играют важнейшую структурную и функциональную роль во многих прибрежных экосистемах.

Углерод, запасаемый этими экосистемами, называется Blue carbon или «голубой углерод». Название образовалось от того, что в поглощении и преобразовании СО₂ участвуют водные организмы, которые, особенно водоросли, образуют подводные леса (или «голубые леса», по аналогии с зелёными лесами на поверхности Земли). 

В прибрежной зоне морей (в «голубых лесах») скорость поглощения углерода (и образования сложных органических веществ) превышает скорость его потери в результате дыхания. Что ещё более важно, углерод в подводных отложениях сохраняется в течение столетий, в то время как наземные почвы обычно менее стабильны и поглощают углерод только на десятилетия. 

К сожалению, данное направление исследований является достаточно молодым, основные работы по исследованию Blue carbon (или голубых лесов) ведутся только в последние десятилетия, но мы уже имеем некоторые цифры. 

Для начала давайте кратко рассмотрим, как происходит процесс поглощения и «переработки» атмосферного углекислого газа. Атмосферный углекислый газ (CO₂) поступает в океан в результате процессов газообмена на границе раздела «океан-атмосфера», в результате чего он растворяется в морской воде, где часть переходит в бикарбонат-ионы (растворённый неорганический углерод НСО₃^-) и карбонат-ионы (рис. 1).

Рисунок 1. Схема преобразования углекислого газа в морской воде

Карбонат-ионы, которые образовались при растворении углекислого газа в морской воде и дальнейшем преобразовании бикарбонат-ионов, используются животными организмами в качестве строительных материалов, например, для раковин и скелетов, или для подержания осмотического давления некоторыми видами рыб; они образуют пул неорганического углерода.

У биокарбоната более сложная судьба. Бикарбонат-ионы поглощаются морскими растениями и преобразуются с помощью процессов фотосинтеза в органические вещества – моносахара (например, глюкозу, маннит), из которых в последующем синтезируются уже более сложные органические соединения, например, альгиновые кислоты, ламинаран, фукоидан и тд. Поглощённый и преобразованный в сложные органические соединения неорганический углерод становится частью биомассы растений.

Так как водоросли и морские травы являются источником пищи для морских травоядных, то часть углерода начинает «путешествовать» по пищевой сети, становясь структурной основой других организмов.

Другая часть углерода, за счёт отмирания растений переходит в отложения (осадки). Исследования показывают, что более 70% связанного углерода в виде остатков водорослей переносится на значительные глубины в океан и сохраняется там длительное время.

Третья часть углерода, которая фиксируется в процессе фотосинтеза у водорослей, высвобождается в виде растворённого органического углерода. И данный путь можно рассматривать как альтернативный путь фиксации углерода.

Водоросли в процессе роста и развития способны выделять в окружающую среду продукты обмена в виде слизистого вещества. Вырабатывается оно клетками, которые выделяют его в слизистые каналы, и оттуда оно поступает на поверхность таллома (тела водоросли). Данное вещество имеет большое значение, так как обеспечивает для самих растений антибактериальную защиту, сохранение жизнеспособности в период осушения, формирует слой между растением и водой, который облегчает обмен веществами со средой. Концентрация слизи может увеличиваться в ответ на изменение условий среды (например, солёности воды).

Химический состав слизи очень сложный, однако более 40% его составляет фукоидан** – сложный полисахарид, который имеет в своем составе дополнительные моносахара, ацетильные и сульфатные группы. Так как фукоидан обладает хорошей растворимостью в воде, потребность в нём на внешней поверхности растений постоянная. При этом он достаточно стабилен в окружающей среде. Было обнаружено, что он способен сохраняться в течение нескольких столетий, так как скорость его микробиологического разложения (последний этап в пищевых цепях) достаточно низкая из-за специфичности соединения и наличия в нём разнообразных химических групп. Его биоразложение возможно всего лишь несколькими видами бактерий и для этого требуется сложный комплекс ферментов. 

В отличие от фукоидана, другие полисахариды менее устойчивы и менее специфичны, их способны разлагать большое количество видов микроорганизмов и для разрушения требуется небольшое количество видов ферментов, при этом полное разложение происходит в течение нескольких часов.

На данный момент из-за сложности идентификации и количественного определения полисахаридов в морской воде скорость секреции фукоидана бурыми водорослями остаётся практически неизвестной. Лишь в отдельных работах, в которых использовался набор современных методов, таких как хроматография, иммуноферментный анализ и т.д., есть данные о количественном содержании фукоидана в морской воде. На примере бурой водоросли Fucus vesiculosus, произрастающей на побережье Балтийского моря в юго-западной Финляндии, было показано, что она выделяет 0,3% фукоидана от своей массы в день. В целом показано, что водоросль способна выделять фукоидан в окружающую среду от 28 до 40 мг*кг−1*ч−1, что составляет 44 - 50% всего растворённого органического вещества, выделяемого водорослью.

Литорали северных морей: пространство для изучения

Описанные выше процессы происходят по всему земному шару, но с разной скоростью. Естественно, они есть и в Арктике. Если рассмотреть арктическую прибрежную зону, например, мурманский берег Кольского полуострова, то основными водорослями-продуцентами, участвующими в поглощении СО2, будут выступать несколько видов бурых водорослей. Наиболее известны нам фукус пузырчатый (Fucus vesiculosus), фукус двусторонний (Fucus distuchus), аскофиллум узловатый (Ascophyllum nodosum) – они формируют пояс растительности в литоральной зоне. Ламинария сахаристая (Laminaria saccharina = Saccharina latissima), ламинария пальчатая (Laminaria digitata) – формируют подводные леса. 

    

Рисунок 2. Водоросли-макрофиты на побережье Баренцева моря. А. Saccharina latissima (= Laminaria saccharina) в литоральной ванне; б. Ascophyllum nodosum; в. Laminaria digitata в литоральной ванне в период отлива

В Белом море, Балтийском море, возможно, подключится ещё и морская трава Zostera marina, которая на побережье этих морей формирует значительные заросли. 

Рисунок 3. Zostera marina в зарослях водорослей. Высшее водное растение (морская трава), которая включена в проект Blue carbon, как одно из наиболее продуктивных водных растений

На примере стран Северной Европы было показано, что ежегодно благодаря деятельности комплекса растений прибрежной зоны и подводных лесов из атмосферы удаляется 1087 килотонн углерода. Только на долю норвежских водорослевых лесов приходится 46% долгосрочного накопления углерода, которое происходит в северных подводных лесах благодаря их широкому распространению и высоким темпам накопления биомассы и, соответственно, усвоению углерода.

В целом, в северной Европе подводные леса (ламинарники) составляют 69% и на их долю приходится  2,7 миллиона тонн CO2; заросли фукоидов составляют 19% и накапливают 0,8 миллиона тонн CO2; а луга, образованные высшей водной растительностью (в большей степени это Zostera marina), составляют 12% зарослей и запасают  0,5 миллиона тонн CO2.

Таким образом, часть выделяемого образованного органического вещества преобразуется с помощью  микроорганизмов, часть выделяется в атмосферу в виде СО2, а часть углерода, недоступная для пищевой сети, также выводится из круговорота и транспортируется в нижележащие зоны океана, что способствует долгосрочному хранению углерода в глубоководных районах.

В настоящий момент разрабатываются различные проекты, направленные на изучение возможностей и объёмов поглощения углерода водными экосистемами и создание технологий, призванных увеличить на планете площади, занятые под произрастание высокопродуктивных растений для сдерживания роста углекислого газа в атмосфере. Единственное, хочется отметить, что именно арктические подводные леса и прибрежные экосистемы являются очень уязвимыми к изменению климата, так как с меньшей долей вероятности смогут пластично отреагировать на повышение температуры воды.

Наиболее известный проект, посвящённый именно исследованию роли морских растительных организмов, был осуществлён норвежскими учёными с 2018 по 2021 год, это Nordic Blue Carbon. Они в течение трёх лет разными методами оценивали вклад морских трав, литоральных водорослей и водорослей подводных лесов в поглощение углерода и получили предварительные данные об эффективности подводных лесов .

В России в настоящий момент начали заниматься проблемой исследования накопления парниковых газов на карбоновых полигонах, но основная масса их расположена на наземной территории и затрагивает наземные экосистемы. Только создаваемый на Сахалине Карбоновый полигон (планируется открыть в 2023 году)  охватит морскую экосистему залива Анива (Охотское море).

Такие исследования приведут к лучшему пониманию роли макроводорослей в поглощении голубого углерода и тем самым будут способствовать созданию технологий, позволяющих смягчать последствия глобального изменения климата.

***

Инна Валерьевна Рыжик, к.б.н., Мурманский морской биологический институт, специально для GoArctic

Примечания:

Фотосинтез* – процесс, при котором в клетках растений под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических.

Фукоидан^**   – сульфатированный гетерополисахарид, обнаруженный в составе бурых водорослей и некоторых иглокожих.

 

При подготовке материала использовали следующие основные источники:

Buck-Wiese H. et al. Fucoid brown algae inject fucoidan carbon into the ocean //Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2023. – Т. 120. – №. 1. – С. e2210561119. https://doi.org/10.1073/pnas.2210561119

Frigstad H. et al. Blue Carbon–climate adaptation, CO2 uptake and sequestration of carbon in Nordic blue forests: Results from the Nordic Blue Carbon Project. – Nordic Council of Ministers, 2021

Krause-Jensen D., Duarte C. M. Substantial role of macroalgae in marine carbon sequestration //Nature Geoscience. – 2016. – Т. 9. – №. 10. – С. 737-742.

Watanabe, K., Yoshida, G., Hori, M., Umezawa, Y., Moki, H., and Kuwae, T.: Macroalgal metabolism and lateral carbon flows can create significant carbon sinks, Biogeosciences, 17, 2425–2440, https://doi.org/10.5194/bg-17-2425-2020, 2020.