Geleidelijke veranderingen in het milieu als gevolg van eutrofiëring en opwarming van de aarde kunnen een snelle uitputting van het zuurstofgehalte in meren en kustwateren veroorzaken. Een nieuwe studie onder leiding van professoren Jef Huisman en Gerard Muyzer van de Universiteit van Amsterdam (UvA) laat zien dat micro-organismen een sleutelrol spelen in deze rampzalige regimewisselingen. De bevindingen van de onderzoekers werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 6 oktober.

Regimeverschuivingen zijn abrupt, grote en aanhoudende veranderingen in de structuur en functie van ecosystemen veroorzaakt door geleidelijke veranderingen in de omgevingsomstandigheden. Regimeverschuivingen zijn beschreven voor een grote verscheidenheid aan ecosystemen. Eén type regime-shift kan optreden in meren en kustwateren wanneer een snelle uitputting van de opgeloste zuurstofconcentratie leidt tot zuurstofgebrek, wat schadelijk is voor de meeste waterorganismen. Hoewel dit fenomeen bekend is, de onderliggende mechanismen die de overgang van oxische naar anoxische omstandigheden veroorzaken, worden niet volledig begrepen.

Wetenschappers van de UvA en de Universiteit van Edinburgh ontwikkelden een wiskundig model om interacties tussen de microbiële soortensamenstelling en de opgeloste zuurstofconcentratie te onderzoeken. Ze ontdekten dat meren zich in twee alternatieve stabiele toestanden kunnen bevinden:één waarin het meer rijk is aan zuurstof, en een andere waarin het zuurstof ontbreekt. Overgangen van de oxische naar de anoxische toestand vinden plaats in de vorm van een regime-shift. "Als de zuurstoftoevoer geleidelijk wordt verminderd, in het begin blijven zuurstofproducerende cyanobacteriën en algen bestaan ​​en blijft het meer in de oxische toestand, ", legt eerste auteur Tim Bush uit. "Onder een kritische drempel, echter, sulfaatreducerende bacteriën en fotosynthetische zwavelbacteriën nemen het over. Deze veroorzaken een verhoging van de sulfideconcentraties, die vervolgens de cyanobacteriën doodt en het meer snel van een oxische naar een anoxische toestand verandert."

Een van de implicaties van deze regime-shift is dat een terugkeer naar zuurstofrijke omstandigheden niet eenvoudig is. Het systeem geeft hysterese weer. Zodra het water anoxisch is geworden, hoge sulfideconcentraties die door de anaërobe zwavelbacteriën worden gehandhaafd, stabiliseren de anoxische omstandigheden. Als resultaat, terugkeren naar de vroegere oxische omstandigheden vereist een veel grotere zuurstoftoevoer dan de instroom die het systeem oorspronkelijk in zijn anoxische toestand bracht.

De onderzoekers volgden een meertje met seizoensgebonden anoxie in de diepere waterlagen om deze modelvoorspellingen te onderzoeken. Het meer vertoonde hysterese in de overgang tussen oxische en anoxische omstandigheden, met veranderingen in de samenstelling van de microbiële gemeenschap in overeenstemming met de modelvoorspellingen. Soortgelijke verschijnselen zijn waargenomen in geëutrofieerde kustwateren, waar zuurstofloze omstandigheden en hoge sulfideconcentraties hebben geleid tot massale sterfte van vissen, weekdieren en vele andere soorten. De auteurs geven aan dat soortgelijke verschuivingen in het zuurstof-anoxische regime waarschijnlijk op wereldschaal hebben plaatsgevonden in het geologische verleden van de aarde, toen grote delen van de oceaan zuurstofarm raakten tijdens perioden van opwarming van de aarde en hoge atmosferische CO2-concentraties. Volgens de hoogleraren Huisman en Muyzer verschillende aspecten zijn nog niet volledig begrepen of kunnen niet in detail worden gekwantificeerd. Echter, deze resultaten waarschuwen dat aanhoudende eutrofiëring en opwarming van meren en zeeën deze ecosystemen voorbij een kritiek kantelpunt kunnen duwen, veroorzaakt snelle overgangen van oxische naar anoxische omstandigheden die niet gemakkelijk ongedaan kunnen worden gemaakt.