Diatomeeën zijn een veel voorkomende groep algen die niet alleen in zoetwaterstromen, rivieren en meren, maar ook in zeewateren. Deze eencellige organismen komen vooral voor in de wateren van de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica. Bij voldoende toevoer van voedingsstoffen en licht, diatomeeën kunnen zich met zo'n explosieve kracht vermenigvuldigen dat ze een algen "bloei" creëren.

Tijdens hun snelle groeicyclus, diatomeeën nemen enorme hoeveelheden sporenelementen en voedingsstoffen op uit de oppervlaktewaterlaag, vooral silicium om hun schelpen te vormen, en zink, die een essentiële fysiologische rol spelen in hun ontwikkeling. De zware uitputting van voedingsstoffen veroorzaakt door de algenbloei is het meest prominent aanwezig in de bovenste waterlaag en beïnvloedt de chemie van veel van 's werelds grootste oceanen - een fenomeen beschreven door een team van onderzoekers onder leiding van Derek Vance, Hoogleraar Geochemie en Petrologie aan de ETH Zürich, in een recent verschenen artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Geowetenschappen .

Diatomeeën verbruiken voedingsstoffen

Onderzoekers kunnen de massareproductie van deze organismen volgen door de diepteprofielen van de zink- en siliciumconcentratie in het zeewater van verschillende oceanen te onderzoeken:de profielen zijn identiek voor beide elementen, met een aanzienlijke uitputting in de bovenste kilometer van de waterkolom. De conclusie van het onderzoek is dat dit wordt veroorzaakt door de biologische activiteit van de diatomeeën in de oppervlaktelaag rond Antarctica, gevolgd door het transport van de resulterende nutriëntenarme watermassa's naar andere delen van de oceaan in stromingen.

Verarmd aan voedingsstoffen, de bovenste laag van het water stroomt in de richting van de evenaar. Aangezien het een breedtegraad van ongeveer 45-50 graden bereikt, het zinkt onder een warmere oppervlaktelaag. Deze middelste waterlaag strekt zich uit tot ver in de noordelijke oceanen en vermengt zich niet volledig met andere lagen, en blijft daardoor verhongerd van voedingsstoffen.

Niet al het oppervlaktewater rond Antarctica stroomt richting de evenaar. Zeer dicht bij het Antarctische continent zelf worden oppervlaktewateren erg zout en dicht door de vorming van zee-ijs. Dit dichte water zinkt in de afgrond. De algen die aan de oppervlakte bloeien, eindigen vaak in een soort massale dood als alle voedingsstoffen zijn opgebruikt. Ze zinken dan in deze diepe oceaan. Terwijl ze zinken, worden sommige diatomeeën ook "verpakt" in deeltjes die worden uitgescheiden door kleine zeedieren en, in de diepten van de oceaan, de cellen ontleden en geven zink en silicium terug aan het zeewater. Diepe oceaanstromingen die naar het noorden reizen, transporteren de sporenelementen 5000 meter onder het oppervlak. Hierdoor kunnen het zink en silicium worden aangevuld.

Het bodemwater stroomt in een brede lus richting de evenaar en terug naar Antarctica, waar de verticale opwelling de verrijkte voedingsstoffen naar het met licht overstroomde wateroppervlak transporteert, waardoor de diatomeeën een nieuwe voortplantingscyclus kunnen beginnen.

Tegenstrijdigheid uitgelegd

Het idee om de levenscyclus van diatomeeën te koppelen aan de dominante stromingen van de Zuidelijke Oceaan stelt de onderzoekers onder leiding van professor Vance ook in staat om de paradox op te lossen dat de diepteprofielen van silicium en zink vergelijkbaar zijn, ook al zijn de twee stoffen nodig voor verschillende delen van de cellen.

Zink is nodig voor enzymen in het organische deel van de cellen, terwijl silicium wordt gebruikt om de anorganische schaal te vormen. Het organische deel van de diatomeeën zou naar verwachting dicht bij het wateroppervlak ontbinden, en de anorganische schil in de onderste waterlagen. Dit zou theoretisch verschillende diepteprofielen moeten opleveren - maar een dergelijk fenomeen wordt niet waargenomen. Onderzoekers denken dat dit komt omdat de afbraak van de dode cellen niet plaatsvindt in het oppervlaktewater, maar pas als deze cellen tot een gemiddelde diepte zijn gezonken. Op dit niveau, zowel de organische als de anorganische componenten vallen uiteen en de twee sporenelementen komen vrij in dezelfde watermassa.

Precies waarom diatomeeën relatief veel zink opnemen, ook al hebben ze heel weinig nodig, is nog niet duidelijk, aldus de ETH-hoogleraar. Een mogelijke verklaring is dat de organismen transporteiwitten hebben die het essentiële voedingsijzer de cel in transporteren. Zeewater bevat heel weinig ijzer, echter. "Om zoveel mogelijk ijzer op te kunnen nemen, deze transporteiwitten zijn mogelijk hyperactief. Als bijwerking, ze nemen ook (niet-specifiek) metaalionen op die tweevoudig positief geladen zijn, inclusief zink, " legt professor Vance uit.

Op expeditie om diatomeeën te verzamelen

Om deze hypothese te testen, een van Vance's promovendi en twee postdocs nemen deel aan de huidige Antarctic Circumpolar Expedition van het Swiss Polar Institute. In het laboratorium aan boord gaan ze zeewatermonsters verzamelen en de diatomeeën in het water onder verschillende nutriëntencondities telen. De wetenschappers zullen een deel van de diatomeeën bemesten met ijzer, bijvoorbeeld, om het effect van dit sporenelement op de celgroei te onderzoeken. De chemische analyse van de schaal en de cellen wordt pas na de expeditie uitgevoerd, terug bij ETH Zürich, omdat er een speciale massaspectrometer nodig is voor het meten van de extreem kleine hoeveelheden sporenelementen in de diatomeeënschelpen.

Begrijpen hoe de diatomeeën de nutriëntenkringlopen in de wereldzeeën beïnvloeden, helpt wetenschappers om de mogelijke gevolgen van klimaatverandering in te schatten. "Als de opwarming van de aarde ervoor zorgt dat de temperatuur stijgt of het zoutgehalte van het zeewater daalt, de zeestromingen en de verdeling van sporenelementen en voedingsstoffen kunnen ook veranderen, die op hun beurt diatomeeën en hun biologische activiteit zouden beïnvloeden", benadrukt professor Vance.