Stikstof is essentieel voor het leven in zee en circuleert door de oceaan in een delicaat uitgebalanceerd systeem. Levende organismen - vooral mariene planten die fytoplankton worden genoemd - hebben stikstof nodig bij processen zoals fotosynthese. Beurtelings, De groei van fytoplankton neemt koolstofdioxide op uit de atmosfeer en helpt het mondiale klimaat te reguleren.

Volgens nieuw onderzoek van Thomas Weber een assistent-professor aard- en milieuwetenschappen aan de Universiteit van Rochester, kleine micro-omgevingen in de diepe oceaan kunnen belangrijke aanwijzingen bevatten voor de wereldwijde kringloop van stikstof in zeewater.

In een paper gepubliceerd in Natuur Geowetenschappen , Weber en zijn co-auteur Daniele Bianchi, een assistent-professor atmosferische en oceanische wetenschappen aan de UCLA, laten zien dat kleine microben die stikstof uit het water verwijderen in deze micro-omgevingen voorkomen en meer voorkomen dan eerder werd gedacht. Met behulp van deze gegevens, ze ontwikkelden een computermodel dat de manier waarop we denken over de mariene stikstofcyclus verandert.

"Het eerdere begrip van de stikstofcyclus was dat stikstof alleen uit de oceaan verloren ging in drie regio's waar zuurstof schaars is. Als we wilden voorspellen hoe de stikstofcyclus zou reageren op klimaatverandering, we hoefden alleen maar te voorspellen hoe deze drie gebieden met een laag zuurstofgehalte zouden uitzetten of inkrimpen, " zegt Weber. "Onze studie verandert dat beeld door aan te tonen dat stikstofverlies daadwerkelijk plaatsvindt in veel grotere regio's, en we moeten nadenken over hoe de oceaan als geheel verandert."

De meeste mariene organismen "ademen, " of ademen, zuurstof gebruiken. Als er geen zuurstof in zeewater aanwezig is, microben ademen in plaats daarvan met andere verbindingen zoals nitraat, een vorm van stikstof. "Dit heeft als netto-effect dat de stikstof uit de oceaan wordt verwijderd, ' zegt Weber.

Onderzoekers geloofden eerder dat anaërobe microben - kleine micro-organismen en bacteriën die geen zuurstof nodig hebben om te ademen - alleen werden gevonden in delen van de oceaan met uitzonderlijk lage zuurstofniveaus; bijzonder, drie regio's die bekend staan ​​als 'dode zones'.

Weber en Bianchi hebben een computermodel ontwikkeld dat rekening houdt met nieuwe genetische gegevens die zijn verzameld van oceaanmicroben. De gegevens geven aan dat anaërobe microben niet alleen voorkomen in gebieden met zuurstofarm water, maar op de een of andere manier gedijen ze goed in gebieden van de oceaan waar zuurstof is. Stikstof, daarom, kan over een groot deel van de oceaan verloren gaan, niet alleen in gebieden waar zuurstof schaars is.

"Een van de grootste revoluties in de oceanografie van de afgelopen jaren was de genomische revolutie, Weber zegt. "Oceanografen hebben alle genen kunnen meten die in zeewater aanwezig zijn." Een van hun ontdekkingen was dat de genen die anaërobe ademhaling mogelijk maken niet alleen in de drie regio's worden gevonden; de genen zijn veel meer verspreid over de hele wereld. oceaan.

Wanneer zuurstof beschikbaar is, er mogen geen organismen zijn die anaëroob ademen, zegt Weber. "Ze zouden moeten worden weggeconcurreerd door dingen die zuurstof gebruiken, want dat is een veel efficiëntere manier om te ademen."

Hoe dan, overleven deze anaërobe organismen in gebieden waar zuurstof aanwezig is?

Weber en Bianchi ontdekten dat er overal in de diepe oceaan kleine "micro-omgevingen" zonder zuurstof bestaan ​​in organisch-rijke "zeesneeuw" - deeltjes van organisch materiaal, zoals dode planktoncellen en uitwerpselen van zoöplankton, vast aan elkaar. Microben krijgen energie door de organische stof te eten en zuurstof te gebruiken om te ademen. Als de ademhaling intens genoeg is in de deeltjes, alle zuurstof kan opraken en de microben zullen overschakelen om te ademen met behulp van verbindingen naast zuurstof.

"We suggereren dat anaërobe microben kunnen gedijen in uitgestrekte delen van de zuurstofrijke oceaan, binnen zinkende organische 'zeesneeuw, '" zegt Bianchi. "Dit verandert de manier waarop we denken over de stikstofcyclus en, algemener, anaërobe metabolisme in de oceaan, en suggereert dat beide zouden kunnen reageren op klimaatverandering op manieren die ons huidige begrip uitdagen."

Door de opwarming van de aarde stijgt de temperatuur van de oceaan, waardoor er meer zuurstof verloren gaat, die vervolgens van invloed kunnen zijn op het stikstofbudget over de hele wereld. Wanneer mensen een deel van het systeem verstoren, het kan onverwachte effecten hebben. Maar computermodellen kunnen helpen deze gevolgen beter te voorspellen.

"Opwarming van de oceaan vindt plaats vanwege de uitstoot van koolstofdioxide door de mens, die de aarde als geheel verwarmen, " zegt Weber. "Indirect, dit verandert het zuurstof- en stikstofgehalte van de oceaan. Uiteindelijk wordt de groei van het mariene fytoplankton en hun vermogen om koolstofdioxide op te nemen beïnvloed, die vervolgens weer terugkomt op klimaatverandering. Ons nieuwe werk en andere modelleringsinspanningen zullen ons helpen deze gevolgen beter te plannen."