Stikstof is een hot item in de oppervlakte-oceaan. Primaire producenten, waaronder fytoplankton en andere micro-organismen, consumeren en transformeren het in organische moleculen om biomassa op te bouwen, terwijl anderen anorganische vormen transformeren om toegang te krijgen tot hun chemische opslag van energie. Al deze stappen maken deel uit van de complexe stikstofkringloop van de bovenste waterkolom.

Ongeveer 200 meter naar beneden, net onder de zonovergoten zone van de oceaan, bevindt zich een laag nitriet, een tussenverbinding in de stikstofcyclus. Wetenschappers hebben deze robuuste functie gevonden, het primaire nitrietmaximum genoemd, in de zuurstofrijke oceanen van de wereld. Hoewel er verschillende individuele hypothesen naar voren zijn gebracht, niemand heeft deze mariene signatuur tot nu toe overtuigend verklaard.

Een recent Natuurcommunicatie studie geleid door onderzoekers in het Programma in Atmospheres, Oceans and Climate (PAOC) binnen MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) maakt gebruik van theorie, modellering, en observatiegegevens om de ecologische mechanismen te onderzoeken die de waargenomen nitrietaccumulatie produceren en de locatie ervan in de waterkolom dicteren. Hoofdauteur Emily Zakem - een voormalige EAPS-afgestudeerde student die nu een postdoc is aan de Universiteit van Zuid-Californië - laat samen met EAPS-hoofdonderzoeker Stephanie Dutkiewicz en professor Mick Follows zien dat fysiologische beperkingen en hulpbronnenconcurrentie tussen fytoplankton en nitrificerende micro-organismen in de zonverlichte laag kan deze oceaaneigenschap opleveren.

Regeling van de biologische pomp

Ondanks de lage oceanische concentratie, nitriet (NO2-) speelt een sleutelrol in de wereldwijde koolstof- en stikstofcycli. De meeste stikstof in de oceaan bevindt zich in de anorganische vorm van nitraat (NO3-), welke primaire producenten en micro-organismen het chemisch reduceren om organische moleculen te bouwen. Remineralisatie vindt plaats wanneer het omgekeerde proces plaatsvindt:fytoplankton en andere heterotrofe bacteriën breken deze organische verbindingen af ​​tot ammonium (NH4+), een vorm van anorganische stikstof. Ammonium kan dan weer worden geconsumeerd door primaire producenten, die hun energie uit licht halen. Andere micro-organismen die chemoautotrofen worden genoemd, gebruiken het ammonium ook zowel om nieuwe biomassa te maken als als energiebron. Om dit te doen, ze halen zuurstof uit zeewater en transformeren het, een proces genaamd nitrificatie, wat in twee stappen gebeurt. Eerst, de microben zetten ammonium om in nitriet en vervolgens in nitraat.

Ergens langs de lijn, nitriet heeft zich opgehoopt aan de voet van de zonovergoten zone, wat gevolgen heeft voor de biogeochemie van de oceaan. "Breed, we proberen te begrijpen wat de remineralisatie van organisch materiaal in de oceaan regelt. Het is die remineralisatie die verantwoordelijk is voor het vormen van de biologische pomp, dat is de extra opslag van koolstof in de oceaan als gevolg van biologische activiteit, ", zegt Zakem. Het is deze sterke invloed die stikstof heeft op de wereldwijde koolstofcyclus die de interesse van Follows wekt. "De groei van fytoplankton op nitraat wordt 'nieuwe productie' genoemd en dat balanceert de hoeveelheid die uit het oppervlak zakt en bepaalt hoeveel koolstof wordt opgeslagen in de oceaan. De groei van fytoplankton op ammonium wordt gerecyclede productie genoemd, die de koolstofopslag in de oceaan niet vergroot, "Volgt zegt. "Dus we willen begrijpen wat de leveringssnelheden en het relatieve verbruik van deze verschillende stikstofsoorten regelt."

Strijd om stikstof

Het primaire nitrietmaximum bevindt zich tussen twee groepen micro-organismen in de meeste oceanen van de wereld. Daarboven in de zonovergoten zone bevindt zich het fytoplankton, en in het primaire nitrietmaximum en iets daaronder rust een overvloed aan nitrificerende microben in een gebied met hoge nitrificatiesnelheden. Onderzoekers classificeren deze microben in twee groepen op basis van hun favoriete stikstofbron:de ammoniumoxiderende organismen (AOO) en nitrietoxiderende organismen (NOO). Op hoge breedtegraden, zoals de subpolaire gebieden van de aarde, nitriet hoopt zich zowel op in de zonovergoten oppervlakte als dieper.

Wetenschappers hebben gepostuleerd dat er twee niet elkaar uitsluitende redenen kunnen zijn voor de opbouw van nitriet:nitrificatie door chemoautotrofe microben, en bij stress, fytoplankton kan nitraat reduceren tot nitriet. Aangezien isotoop bewijs dit laatste niet ondersteunt, de groep keek naar de voormalige.

"De al lang bestaande hypothese was dat de locaties van nitrificatie werden gecontroleerd door de remming van licht van deze [nitrificerende] micro-organismen, dus de micro-organismen die dit proces uitvoeren, werden beperkt van het oppervlak, "Zakem zegt, wat inhoudt dat deze nitrificerende chemoautotrofen door de zon zijn verbrand. Maar in plaats van aan te nemen dat dat waar was, de groep onderzocht de ecologische interacties tussen deze en andere organismen in de oppervlakte-oceaan, de dynamiek er op natuurlijke wijze uit laten vallen. Om dit te doen verzamelden ze microbiële monsters uit de subtropische noordelijke Stille Oceaan en evalueerden ze op metabolismesnelheden, efficiëntie en overvloed, en beoordeelde de fysiologische behoeften en beperkingen van de verschillende nitrificerende microben door de biologische complexiteit van hun metabolisme te verminderen tot de onderliggende chemie en zo enkele van de meer fundamentele beperkingen te veronderstellen. Ze gebruikten deze informatie om de dynamiek van de nitrificerende microben in zowel een eendimensionaal als een driedimensionaal biogeochemisch model te informeren.

De groep ontdekte dat door gebruik te maken van dit raamwerk, ze zouden de interacties tussen deze nitrificerende chemoautotrofen en fytoplankton kunnen oplossen en daarom de accumulatie van nitriet bij het primaire nitrietmaximum op de juiste locaties simuleren. In de oppervlakteoceaan waar anorganische stikstof een beperkende factor is, fytoplankton en ammoniumoxiderende microben hebben vergelijkbare capaciteiten om ammonium te verwerven, maar omdat fytoplankton minder stikstof nodig heeft om te groeien en sneller groeit, ze zijn in staat om de nitrifiers te overtreffen, hen uit te sluiten van de zonovergoten zone. Op deze manier, ze waren in staat om een ​​ecologische verklaring te geven voor waar nitrificatie plaatsvindt zonder te hoeven vertrouwen op lichtremming die de locatie dicteert.

Het vergelijken van de fundamentele fysiologieën van de nitrifiers onthulde dat verschillen in metabolisme en celgrootte de nitrietopbouw zouden kunnen verklaren. De onderzoekers ontdekten dat de tweede stap van het nitrificatieproces dat wordt uitgevoerd door de nitrietoxidatoren meer stikstof vereist voor dezelfde hoeveelheid biomassa die door deze organismen wordt gecreëerd. wat betekent dat de ammoniak-oxidatiemiddelen meer kunnen doen met minder, en dat er minder nitriet-oxidatiemiddelen zijn dan de ammoniak-oxidatiemiddelen. De nitrietoxiderende microben hebben ook een hogere oppervlakte-tot-volumebeperking dan de kleinere en alomtegenwoordige ammoniumoxiderende microben, waardoor de stikstofopname moeilijker wordt. "Dit is een alternatieve verklaring waarom nitriet zich zou moeten ophopen, "Zegt Zakem. "We hebben twee redenen die in dezelfde richting wijzen. We kunnen niet onderscheiden welke het is, maar alle waarnemingen zijn consistent met een van deze twee of een combinatie van beide die de controle is."

De onderzoekers waren ook in staat om een ​​wereldwijd klimaatmodel te gebruiken om een ​​accumulatie van nitriet te reproduceren in de zonovergoten zone van plaatsen zoals subpolaire gebieden, waar fytoplankton wordt beperkt door een andere hulpbron dan stikstof, zoals licht of ijzer. Hier, nitrifiers kunnen naast fytoplankton bestaan, omdat er meer stikstof voor hen beschikbaar is. Aanvullend, de diepe gemengde laag in het water kan hulpbronnen wegtrekken van het fytoplankton, waardoor de nitrifiers een betere overlevingskans in het oppervlak hebben.

"Er is een al lang bestaande hypothese dat de nitrifiers werden geremd door licht en daarom bestaan ​​​​ze alleen in de ondergrond, "Zegt Zakem. "We zeggen dat we misschien een meer fundamentele verklaring hebben:dat deze lichte remming bestaat omdat we het hebben waargenomen, maar dat is een gevolg van langdurige uitsluiting van het oppervlak."

Groter denken

"Deze studie bracht theorie samen, numerieke simulaties, en observaties om uit elkaar te halen en een eenvoudige kwantitatieve en mechanistische beschrijving te geven van enkele fenomenen die mysterieus waren in de oceaan, "Volgt zegt. "Dat helpt ons de stikstofkringloop uit elkaar te halen, wat een impact heeft op de koolstofcyclus. Het heeft ook de weg geopend voor het gebruik van dit soort hulpmiddelen om andere vragen in de microbiële oceanografie aan te pakken." Hij merkt op dat het feit dat deze microben ammonium in nitraat omleiden in de buurt van de zonovergoten zone, het verhaal van koolstofopslag in de oceaan bemoeilijkt.

Twee onderzoekers die niet bij het onderzoek betrokken waren, Karen Casciotti, universitair hoofddocent aan de Stanford University Department of Earth System Science, en Angela Landolfi, een wetenschapper in de afdeling mariene biogeochemische modellering van het GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel, mee eens. "Deze studie is van groot belang omdat het bewijs levert van hoe de individuele eigenschappen van organismen de competitieve interacties tussen microbiële populaties beïnvloeden en een directe controle bieden op de distributie van voedingsstoffen in de oceaan, " zegt Landolfi. "In wezen Zakem et al., een beter begrip te verschaffen van het verband tussen verschillende niveaus van complexiteit, van individu tot gemeenschap tot milieuniveau, een mechanisch raamwerk bieden om veranderingen in de samenstelling van gemeenschappen en hun biogeochemische impact onder klimaatveranderingen te voorspellen, ' zegt Landolfi.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.