نسبة الكربون إلى النيتروجين

تحتوي المادة العضوية المترسبة في الرواسب البحرية على مؤشر رئيسي لمصدرها والعمليات التي مرت بها قبل وصولها إلى قاع المحيط وبعد ترسبها، ألا وهو نسبة الكربون إلى النيتروجين فيها. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 4 ]} في المحيطات العالمية، تتراوح نسبة الكربون إلى النيتروجين في الطحالب حديثة التكوين في سطح المحيط عادةً بين 4 و10. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، لوحظ أن 10% فقط من هذه المادة العضوية (الطحالب) المنتجة في سطح المحيط تغرق إلى أعماق المحيط دون أن تتحلل بفعل البكتيريا أثناء انتقالها، وأن 1% فقط منها يُدفن بشكل دائم في الرواسب. وتُعزى نسبة الـ 9% المتبقية من الكربون العضوي التي غرقت إلى قاع المحيط العميق، ولكنها لم تُدفن بشكل دائم، إلى عملية مهمة تُسمى التكوين اللاحق للرواسب ، أي أن 9% من إجمالي الكربون العضوي المُنتج يتحلل في أعماق المحيط. ^{[ 11 ]} تميل المجتمعات الميكروبية التي تستخدم الكربون العضوي الغارق كمصدر للطاقة إلى المركبات الغنية بالنيتروجين، لأن معظم هذه البكتيريا تعاني من نقص النيتروجين وتفضله على الكربون. ونتيجة لذلك، ترتفع نسبة الكربون إلى النيتروجين في الكربون العضوي الغارق في أعماق المحيط مقارنةً بالمواد العضوية السطحية غير المتحللة. ويُلاحظ ازدياد أُسّي في نسب الكربون إلى النيتروجين مع ازدياد عمق الماء، حيث تصل هذه النسب إلى عشرة عند أعماق متوسطة تبلغ حوالي 1000 متر، وإلى 15 في أعماق المحيط (أعمق من حوالي 2500 متر) . وتبقى هذه النسبة المرتفعة للكربون إلى النيتروجين محفوظة في الرواسب حتى يحدث نوع آخر من التكوّن اللاحق للترسيب، والذي يُغير هذه النسبة مرة أخرى. ^{[ 6 ]} يحدث التكوّن اللاحق للترسيب في الرواسب البحرية الفقيرة بالكربون العضوي، حيث تستطيع البكتيريا أكسدة المواد العضوية في ظروف هوائية كمصدر للطاقة. يحدث تفاعل الأكسدة على النحو التالي: CH₂O ₊ H₂O _→ CO₂ ₊ 4H⁺ ⁺ 4e⁻ ^، بطاقة حرة قياسية قدرها -27.4 كيلوجول/مول ⁽ نصف التفاعل). ^{[ 11 ]} بمجرد استهلاك الأكسجين بالكامل، تستطيع البكتيريا إجراء سلسلة من التفاعلات الكيميائية في ظروف لاهوائية كمصدر للطاقة، جميعها بقيم ∆G°r سالبة، ويصبح التفاعل أقل ملاءمة مع تقدم سلسلة التفاعلات. ^{[ 11 ]}

يُفسر المبدأ نفسه المذكور أعلاه التحلل التفضيلي للمواد العضوية الغنية بالنيتروجين داخل الرواسب، نظرًا لكونها أكثر قابلية للتحلل وأعلى طلبًا. وقد استُخدم هذا المبدأ في الدراسات الباليومحيطية لتحديد مواقع العينات اللبية التي لم تشهد نشاطًا ميكروبيًا كبيرًا أو تلوثًا من مصادر أرضية ذات نسب كربون إلى نيتروجين أعلى بكثير. ^{[ 12 ]}

أخيرًا، يُمتص الأمونيا، وهو ناتج تفاعل الاختزال الثاني الذي يُختزل النترات وينتج غاز النيتروجين والأمونيا، بسهولة على أسطح المعادن الطينية، مما يحميه من البكتيريا. وقد اقتُرح هذا لتفسير انخفاض نسب الكربون إلى النيتروجين في الرواسب التي تخضع لعمليات التحول اللاحقة للترسيب عن المتوقع. ^{[ 6 ]}

يوجد الأمونيوم الناتج عن إعادة تمعدن المواد العضوية بتراكيز عالية (1 - >14 ميكرومول) ضمن رواسب الجرف القاري المتماسكة في بحر سلتيك (عمق: 1-30  سم). يتجاوز عمق الرواسب مترًا واحدًا، مما يجعلها موقعًا مناسبًا لإجراء تجارب علم الأحياء القديمة للبحيرات باستخدام نسبة الكربون إلى النيتروجين.

على عكس الرواسب البحرية، لا تُشكل عمليات التحول الصخري تهديدًا كبيرًا لسلامة نسبة الكربون إلى النيتروجين في الرواسب البحيرية. ^{[ 1 ] [ 13 ]} ورغم أن خشب الأشجار الحية حول البحيرات يتميز بنسب كربون إلى نيتروجين أعلى باستمرار من الخشب المدفون في الرواسب، إلا أن التغير في التركيب العنصري ليس كبيرًا بما يكفي لإزالة إشارات النباتات الوعائية مقابل غير الوعائية نظرًا لطبيعة المادة العضوية الأرضية المقاومة للتحلل. ^{[ 1 ] [ 9 ] [ 13 ]} ويمكن تفسير التحولات المفاجئة في نسبة الكربون إلى النيتروجين على طول اللب الصخري على أنها تحولات في المادة العضوية المصدرية.

على سبيل المثال، أظهرت دراستان أُجريتا على بحيرة مانغروف في برمودا وبحيرة يونوكو في اليابان، تقلباتٍ حادةً وغير منتظمة في نسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N) تتراوح بين 11 و18. تُعزى هذه التقلبات إلى تحولاتٍ من هيمنة الطحالب بشكلٍ رئيسي إلى هيمنة النباتات الوعائية الأرضية. ^{[ 13 ] [ 14 ]} غالبًا ما تُفضي نتائج الدراسات التي تُظهر تحولاتٍ حادةً في هيمنة الطحالب والنباتات الوعائية إلى استنتاجاتٍ حول حالة البحيرة خلال هذه الفترات المتميزة من البصمات النظيرية. تشير الأوقات التي تهيمن فيها إشارات الطحالب على البحيرات إلى أنها بحيرةٌ عميقة المياه، بينما تشير الأوقات التي تهيمن فيها إشارات النباتات الوعائية على البحيرات إلى أنها ضحلةٌ أو جافةٌ أو مستنقعية. ^{[ 13 ]} يمكن أن يؤدي استخدام نسبة C/N جنبًا إلى جنب مع ملاحظات الرواسب الأخرى، مثل الاختلافات الفيزيائية، وتحليلات النظائر D/H للأحماض الدهنية والألكانات، وتحليلات δ13C على المؤشرات الحيوية المماثلة، إلى مزيد من التفسيرات المناخية الإقليمية التي تصف الظواهر الأكثر أهمية التي تحدث.