آب دریا مخلوطی از عناصر مختلف است. برخی از عناصر مانند سدیم و کلر به مقدار فراوان هستند و آب را شور می‌کنند. دیگر عناصر به مقدار بسیار اندک وجود دارند اما اثرات قدرتمندی را برجای می‌گذارند. آهن هرجایی را که در آن‌جا زندگی بتواند جریان یابد، کنترل می‌کند. درعوض جیوه دارای قدرتی است که می‌تواند زندگی را از بین برد. تعادلی سرنوشت ساز در مقادیر سلنیوم می‌تواند انفجاری در تنوع زیستی و انقراض‌های انبوه ایجاد کند. این عناصر حیاتی مانند حکمرانانی نامرئی تمام موجودات زنده‌ي اقیانوس‌ها را کنترل می‌کنند. اما با وجود نامرئی بودن آن‌ها، تمام تلاش خود را به کار گرفته‌ایم تا آن‌ها را شناسایی کنیم. در حال حاضر مطالعات دقیق برای اولین بار نشان می‌دهند که این عناصر کجا هستند و چه تغییراتی در اکوسیستم‌های اقیانوسی ایجاد می‌کنند.
آهن
مقدار آهن حتی در مناطقی از اقیانوس‌ها که غنی از آهن هستند، ۳۰ نانوگرم در ۱ کیلوگرم آب دریا است. این عامل محدود کننده‌ی زندگی که در یک سوم اقیانوس قرار دارد بسیار حیاتی است. همه‌ی موجودات زنده برای زنده ماندن به آهن نیاز دارند. این عنصر برای عمل فتوسنتز نیز بسیار ضروری است. این مسئله باعث شد به غنی کردن اقیانوس‌ها از آهن فکر کنیم تا بدین وسیله بتوانیم رشد پلانکتون‌ها و تغییرات اقلیمی را ارتقا دهیم.
از زمان پیدایش عصر صنعتی تا به امروز، اقیانوس‌ها تقریبا ۴۰ درصد دی‌اکسید کربن منتشر شده از ما را جذب می‌کنند و این میزان جذب سال به سال درحال افزایش است. برخی از این گاز منتشر شده در آب به سادگی حل می‌شود و باقی‌مانده‌ی آن توسط فیتوپلانکتون‌ها در طول فتوسنتز گرفته می‌شود.برای نشان دادن اینکه آیا امواج آب غنی از آهن می‌تواند در افزایش جذب دی‌اکسید‌کربن موثر باشد یا نه، دانستن چرخه‌ی آهن در اقیانوس‌ها ضروری است. اصول اولیه‌ی این چرخه مدت‌هاست که شناخته شده است اما مطالعات اخیر مطالب شگفت‌آوری یافته‌اند. برای مثال ما گمان می‌کردیم که آهن به طور عمده پس از فرسایش سنگ‌های روی زمین و شسته شدن آن‌ها توسط باد و یا به احتمال کمتر توسط رودخانه‌ها به اقیانوس‌ها می‌ریزند. اما اکنون می‌دانیم که این فقط بخشی از داستان است. GEOTRACES نوعی همکاری جهانی اقیانوس‌شناسان است که حرکت عناصر کمیاب را در اقیانوس‌ها بازنمایی و ترسیم می‌کنند. نتایج این همکاری پس از ۱۰ سال تلاش، منتشر شد. داده‌های آن‌ها شامل ۲۰۰۰ نمونه مختلف از اعماق بیش از ۲۰۰۰ متر است.
بررسی‌ها در اقیانوس اطلس، آرام، جنوب و اقیانوس های قطبی نشان داد که چاه‌های هیدروترمال عمقی اقیانوس‌ها مقدار زیادی آهن را به درون آب پمپ می‌کنند. آهن پس از چندین سال فرو رفتن به سمت کف دریا بالاخره به حالت معلق در آب درمی‌آیند. این مسئله نشان می‌دهد که غنی شدن اقیانوس‌ها از آهن در بعضی مناطق موثرتر و بیشتر است.
مقاله مرتبط: متابولیسم آهن در بدن
نیتروژن
اهمیت نیتروژن به علت افزایش استفاده از آن بعد از انقلاب سبز قرن ۲۰ در کودهای نیتروژن‌دار و آغاز کشاورزی فشرده، کمرنگ نشد. موجودات بدون نیتروژن قادر به ساخت پروتئین‌های خود نیستند. در بسیاری از اکوسیستم‌های مبتنی بر زمین مقدار نیتروژن موجود در گیاهان فاکتور اصلی محدودکننده‌ی طول مدت رشد است. براساس این، کشاورزان قرن ۲۰ متوجه شدند که با اضافه کردن نیتروژن به خاک می‌توانند بازده محصولات را افزایش دهند.
کاری که انجام دادیم این بود که مقادیر بسیاری از این عنصر را وارد خاک، رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها کردیم. با این حال اطلاعات ما درباره چرخه نیتروژن در اقیانوس‌ها به طور شگفت‌آوری محدود است. یکی از آخرین پژوهش‌ها نشان می‌دهد که این چرخه تحت تاثیر اثر کوریولیس قرار می‌گیرد. اثر کوریولیس پدیده‌ای است که در آن جریان های اقیانوسی به علت چرخش زمین منحرف می‌شوند. البته همچنان چگونگی حرکت نیتروژن دراقیانوس‌ها مرموز است. چیزی که ما می‌دانیم این است که مقدار بیش از حد نیتروژن در اقیانوس‌ها خود می‌تواند مشکل‌ساز باشد. انفجار رشد جلبک‌های دریایی کافیست تا هرچیز دیگری را خفه کند و مناطقی مرده یا هایپوکسیک پدید آید.
مطالعه‌ای منتشر شده در ماه جولای افزایش بارندگی در پی تغییرات آب و هوا را پیش‌بینی می‌کند. این وضعیت باعث افزایش ورود نیتروژن به اقیانوس‌ها می‌شود و چرخه‌ای معیوب به وجود می‌آورد، چراکه سطح بالای نیتروژن اقیانوس خود می‌تواند آب و هوا را تحت تاثیر قرار دهد. در آب‌های غنی از نیتروژن، اکسید نیتروژن تشکیل می‌شود. قسمتی از اکسید نیتروژن از آب خارج شده و به اتمسفر وارد می‌شود که این مسئله خود مشکل‌زا است. اکسید نیتروژن یک نوع گاز گلخانه‌ای است که از مقدار ازن می‌کاهد. منشا یک سوم اکسید نیتروژن جوی اقیانوس‌ها است که نشان می‌دهد عناصر پنهان اقیانوس‌ها چگونه می‌توانند زندگی موجودات را در سراسر جهان تحت تاثیر قرار دهند.
مقاله مرتبط:گوانو: نگاهی کوتاه به نقش پرندگان دریایی بر چرخه نیتروژن در طبیعت
فسفر
فسفر قسمتی از ساختار DNA، غشا سلولی و مولکول انرژی ATP است. به همین دلیل میزان دسترسی به این عنصر و همچنین عناصر نیتروژن و آهن، محدوده‌ی طول عمر حیات را مشخص می‌کند. نیتروژن از عناصر تاریخی است که محدوده‌ی زندگی را در ۶۰ تا ۷۰ درصد اقیانوس‌ها مشخص کرده است.
سوزن‌هایی در انبار کاه
سوزن‌هایی در انبار کاهبه طور میانگین در هرلیتر از آب دریا ۳ گرم نمک به صورت سدیم کلرید وجود دارد. عناصر کمیاب بسیار ناچیز هستند اما تاثیر بسزایی بر زندگی در اقیانوس‌ها دارند. در برخی از اکوسیستم‌ها ممکن است به دلیل حضور موجوداتی متفاوت، ۲ عنصر نیتروژن و فسفر بتوانند باعث افزایش مدت زمان وجود حیات به بیشینه مقدار خود شوند. برآوردهای فعلی نشان می‌دهند که ۵ الی ۱۰ درصد از اقیانوس‌ها توسط نیتروژن و فسفر محدود شده‌اند. محققان بیشتر در پی یافتن چگونگی کنترل اثرات متقابل این دو عنصر هستند. مارک مور از دانشگاه ساتامپتون می‌گوید:
هر چقدر که آزمایشات بیشتری انجام دادیم، سیستم‌های بیشتری یافتیم که یکدیگر را محدود می‌کردند و کنترل متقابل نسبت به چیزی که فکر می‌کردیم به وفور یافته می‌شود.
تیم مور برای بررسی کنترل و محدودیت متقابل عناصر، فیتوپلانکتون‌ها را از دریا خارج کرده و به آن عناصر مغذی اضافه کردند تا ببینند چه اتفاقی می‌افتد.
سلنیوم
محدوده‌ی مناسب این میکروماده‌ی مغذی برای زندگی بسیار باریک است و به نام منطقه گلدیلاک سلنیوم شناخته شده است. (به فاصله یک سیاره نسبت به خورشیدش که در آن فاصله دمای سیاره به اندازه‌ای باشد که آب بتواند در حالت مایع بماند را اصطلاحاً گلدیلاک گفته می‌شود) سلنیوم برای اکثر ارگانیسم‌ها از جمله ما انسان‌ها ضروری است و می‌توانیم آن‌را از غذاهای مختلفی مانند ماهی دریافت کرده و در ساخت پروتئین‌های مختلف استفاده کنیم. این عنصر حدود ۵۰۰ سال پیش همچنین نقش موثری در پیدایش دوره‌ی کامبرین و به دنبال آن ظهور اکثر حیوانات بر روی زمین داشته است.
با این حال این عنصر در مقادیر زیاد می‌تواند سمی باشد. سلنیوم در کو‌ه‌های مجاور خلیج سانفرانسیسکو با فرسایش سنگ‌های محل ایجاد شده و به سمت خلیج رانده می‌شود. این سفر سلنیوم توسط آبیاری‌های زمین‌های کشاورزی توسعه یافته است. همچنین در نزدیکی پالایشگاه‌های نفت پساب های غنی از سلنیوم به اکوسیستم تخلیه می‌شوند. دولت فدرال بعد از مشاهده اردک‌ها و دیگر حیوانات ناقص و بدشکل در پناهگاه‌های پایین رودخانه در سال ۱۹۸۰ محدودیت‌هایی برای جلوگیری از ورود سلنیوم به آب‌ها قرار داد. بررسی‌های اخیر نشان می‌دهد با وجود بالا بودن این محدودیت همچنان مقررات سختگیرانه تری خواسته شده است.
جیوه
می‌توان گفت از جیوه نمی‌توان به عنوان عنصری مفید و سودمند یاد کرد. زیرا نه تنها در سلول‌ها فاقد هر نوع عملکردی است بلکه برای سیستم عصبی به شدت سمی است. این عنصر در غلظت‌هایی سمی در اقیانوس‌ها و دریاچه‌ها به شکل متیل جیوه در موجودات آبزی تجمع یافته و می‌تواند باعث آسیب مغزی، تغییر شکل جاندار و کاهش نرخ تولید مثل شود. با این حال مقدار آن و اینکه در نهایت به کجا ختم خواهد شد، نامشخص است.
به دلیل ماهیت خطرناک جیوه، ۱۲۸ کشور برای جلوگیری از انتشار آن قرداد میناماتا را امضا کردند. در ماه آوریل فهرستی جهانی از میزان تخلیه جیوه تجمعی در بین سال‌های ۱۸۵۰ تا ۲۰۱۰ منتشر شد و نشان داد که تنها ۵/۱ میلیون تن جیوه به علت فعالیت‌های انسانی آزاد شده است. این بدین معنی است که سوزاندن سوخت‌های فسیلی ۷۸ برابر بیشتر از سایر منابع طبیعی جیوه آزاد می‌کند. السی ساندرلند از دانشگاه هاروارد که در تهیه فهرست دخالت داشته است، می‌گوید:
هربار که جیوه به محیط زیست آزاد می‌شود به مدت طولانی در محیط می‌ماند و به اطراف پراکنده می‌شود.
تنها حجم کلی جیوه‌ی حاصل از فعالیت‌های انسانی شگفت‌آور نیست. آخرین اطلاعات به دست آمده نشان می‌دهد که این حجم از جیوه از کجا آمده است. طبق فهرست ۱۸۵۰ تا ۲۰۱۰ سوختن زغال ۳۸۰۰۰با تولید تن جیوه به عنوان بزرگترین منبع انسانی تولید جیوه در نظر گرفته شده بود. اما به نظر می‌رسد امروزه متهم بزرگتری وجود دارد. تولید طلا با آزادسازی ۲۲۱۰۰۰ تن و تولید نقره با آزادسازی ۳۶۵۰۰۰ جیوه از متهمان اصلی این مسئله در نظر گرفته شده‌اند. طبق نظر ساندرلند نباید تخریب‌های حاصل از فعالیت انسانی را تنها در چرخه کربن جستجو کرد بلکه بهتر است آثار این فعالیت‌ها را در چرخه عناصر دیگر بررسی کرد.
سرب
همانند جیوه سرب نیز در زنجیره مواد غذایی تجمع می‌یابد. این عنصر توسط پلانکتون‌ها جذب شده و وارد بدن گیاه‌خواران و حیواناتی می شود که از آن‌ها تغذیه می کنند. سرب می‌تواند برای تک تک این موجودات و درنهایت برای راس زنجیره مصرف‌کننده‌های غذاهای دریایی یعنی ما سمی باشد. سرب با دخالت در اعمال آنزیم‌ها و سلول‌ها برای قلب و کلیه مضرر است و می‌تواند اثرات جبران‌ناپذیری را بر مغز وارد کند.
تقریبا تمام سرب‌های اقیانوس‌ها حاصل فعالیت‌های انسانی است. برای مدتی طولانی کشتی‌ها با رنگ‌های سرب‌دار پوشیده می‌شدند. ابزار نمونه‌گیری آب از پلاستیک‌های حاوی سرب ساخته می‌شدند. حتی دودی که از کشتی به بیرون رانده می‌شد و در هوای اطراف کشتی قرار می‌گرفت، سرب وجود داشت. برای اندازه گیری دقیق سرب موجود در آب دریاها محققان مجبور بودند با پروتکل‌های پیچیده‌ای روبرو شوند. لوله‌های نمونه برداری در ظروفی پر از هوای فیلتر شده و تحت فشار نگه‌داری شدند. هنگام باز کردن درب ظروف نگه دارنده که از جنس فلز است، نباید دست با لوله‌ها تماس داشته باشد. چالشی که می‌ماند، ردیابی اتم‌های کمیاب و حیاتی در نمونه‌ها است. درنهایت تلاش‌ها مثمر ثمر واقع شدند. محققان نشان دادند از زمانی که ایالات متحده، اروپا، کانادا و مکزیک وجود سرب در بنزین را در سال‌های ۱۹۹۰ و ۲۰۰۰ ممنوع کرده‌اند، سطح سرب در اقیانوس اطلس شمالی به میزان ۱۰ برابر کاهش یافته است. درحالیکه در شمال اقیانوس آرام، کاهش اولیه‌ای که صورت گرفته بود با آزادسازی سرب از طریق سوختن زغال توسط چینی‌ها از بین رفت.
نئودیمیوم
برخی از عناصر کمیاب نه مغذی هستند، نه سمی! اما می‌توانند مورد عناصر کمیاب دیگر اطلاعاتی در اختیا ما قرار دهند. نئودیمیوم یکی از این عناصر است که در بررسی عناصر دیگر به ما کمک می‌کند. یافتن سن سنگ توسط نئودیمیوم یکی از این اطلاعات است. سنگ‌های جوان‌تر نسبت بالاتری از دو ایزوتوپ نئودیمیوم ۱۴۳ و ۱۴۴ را دارند. هنگامی که یک سنگ فرسایش می‌یابد، گرد حاصل از آن وارد اقیانوس‌ها شده و نئودیمیوم موجود در آن به عنوان تمبر زمان، سن ذرات و به دنبال آن محلی که ممکن است از آن‌جا آمده باشد را نشان می‌دهد. از طرفی چون اغلب عناصر کمیاب با هم سفر می‌کنند، این عنصر می‌تواند منبعی برای شناسایی بقیه عناصر باشد.
شناسایی منابع و عناصر کلیدی در زمین می‌تواند ما را در حفاظت از اقیانوس‌ها یاری کند. برای مثال کشاورزی در مناطق جدید و یا ساخت جاده‌ها و خانه‌های جدید می توانند گرد و غبار را نگه دارند و مانع از پراکنده شدن آن‌ها شوند. اگر مناطق تولید کننده گردهای عناصری خاص را بیابیم می‌توانیم از گرسنگی اقیانوس ها در هزاران کیلومتر دورتر اجتناب کنیم.
