Wanneer op stikstof gebaseerde meststoffen in waterlichamen stromen, het resultaat kan dodelijk zijn voor het leven in zee nabij de kust, maar wat is het effect van stikstofvervuiling ver in de open oceaan?

Een 130 jaar oud hersenkoraal heeft het antwoord gegeven, althans voor de Noord-Atlantische Oceaan voor de oostkust van de Verenigde Staten. Door de stikstof in het koraalskelet te meten, een team van onderzoekers onder leiding van Princeton University vond aanzienlijk minder stikstofvervuiling dan eerder werd geschat. De studie werd online gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Tot onze verbazing we hebben de afgelopen decennia geen bewijs gezien van verhoogde stikstofvervuiling in de Noord-Atlantische Oceaan, " zei Xingchen (Tony) Wang, die het werk uitvoerde als onderdeel van zijn doctoraat in de geowetenschappen aan Princeton en nu een postdoctoraal onderzoeker is aan het California Institute of Technology.

Eerder werk van het team uit Princeton, echter, vond verhoogde stikstofvervuiling in een andere open oceaansite in de Zuid-Chinese Zee, die samenviel met de dramatische toename van de steenkoolproductie en het gebruik van kunstmest in China in de afgelopen twee decennia.

In de nieuwe studie de onderzoekers keken naar koraalskeletmonsters verzameld in de open oceaan ongeveer 620 mijl ten oosten van het Noord-Amerikaanse continent nabij het eiland Bermuda, een regio waarvan wordt gedacht dat deze sterk wordt beïnvloed door stikstof in de lucht die vrijkomt uit bronnen op het Amerikaanse vasteland, zoals uitlaatgassen van voertuigen en energiecentrales.

Hoewel het team geen bewijs vond dat door de mens gemaakte stikstof in opkomst was, de onderzoekers merkten variaties in stikstof op die overeenkwamen met niveaus die worden verwacht van een natuurlijk klimaatfenomeen genaamd de Noord-Atlantische Oscillatie, zei Wang.

Het resultaat is in tegenstelling tot eerder gepubliceerde computermodellen die een significante toename van door de mens veroorzaakte stikstofvervuiling in de Noord-Atlantische Oceaan voorspelden.

Het werk kan erop wijzen dat Amerikaanse maatregelen ter bestrijding van verontreiniging met succes de hoeveelheid door de mens gegenereerde stikstofemissies die in de oceaan terechtkomen, beperken.

"Onze bevinding heeft belangrijke implicaties voor de toekomst van de menselijke stikstofimpact op de Noord-Atlantische Oceaan, ", zei Wang. "Voornamelijk als gevolg van de vooruitgang in de vervuilingstechnologie, de menselijke stikstofemissies uit de VS zijn de afgelopen decennia stabiel gebleven of zelfs afgenomen, " zei hij. "Als de uitstoot op dit niveau blijft, onze resultaten impliceren dat de open Noord-Atlantische Oceaan de komende decennia minimaal zal worden beïnvloed door stikstofvervuiling."

Stikstof, wanneer in zijn biologisch beschikbare vorm en in overmaat geleverd, kan overgroei van planten en algen veroorzaken en leiden tot ernstige schade aan het ecosysteem, inclusief mariene "dode zones" die ontstaan ​​wanneer micro-organismen alle zuurstof in het water verbruiken, laat er geen voor vissen. Kunstmestproductie en verbranding van fossiele brandstoffen hebben de productie van biologisch beschikbare, of "vast, "stikstof sinds het begin van de 20e eeuw.

Wanneer uitgestoten naar de atmosfeer, vaste stikstof kan de oceaan ver van het land beïnvloeden. Echter, de effecten op de oceaan zijn moeilijk te bestuderen vanwege de uitdagingen die gepaard gaan met het maken van langetermijnobservaties in de open oceaan.

Koralen kunnen helpen. Steenachtige of "Scleractinische" koralen zijn langlevende organismen die een calciumcarbonaatskelet bouwen terwijl ze groeien. De koralen nemen stikstof op uit het omringende water en zetten een klein deel af in hun skelet. De skeletten zorgen voor een natuurlijke registratie van stikstofemissies.

Om onderscheid te maken tussen door mensen gemaakte, of antropogeen, stikstof van de van nature voorkomende soort, de onderzoekers profiteren van het feit dat stikstof in twee gewichten komt. De zwaardere versie, bekend als 15N, bevat één neutron meer dan de lichtere 14N. Antropogene stikstof heeft een lagere verhouding van 15N tot 14N dan de stikstof in de oceaan.

"Het is al lang mijn droom om de stikstof in koraalskeletten te gebruiken om vroegere milieuveranderingen te reconstrueren; dankzij Tony, we doen het nu, " zei Daniël Sigman, de Dusenbury hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen aan Princeton.

Terwijl een afgestudeerde student aan Princeton, Wang ontwikkelde een gevoelige en nauwkeurige methode om de 15N-tot-14N-verhouding te meten met behulp van een massaspectrometer, dat is als een weegschaal voor het wegen van moleculen.

Om koraalmonsters te verzamelen in de Noord-Atlantische Oceaan, Wang en Anne Cohen, een associate scientist in geologie en geofysica bij Woods Hole Oceanographic Institution, leidde een team in 2014 naar Bermuda. De onderzoekers verwijderden een 23-inch lange kern uit een levend hersenkoraal ( Diploria labyrinthiformis ) ongeveer 10 voet onder het oppervlak op Hog Reef, ongeveer zes mijl van het hoofdeiland. De onderzoekers bevestigden dat de stikstofafvoer van Bermuda geen factor was op de locatie door het stikstofgehalte te meten in plankton dat in de buurt drijft.

De studie, "Natuurlijke forcering van de Noord-Atlantische stikstofcyclus in het Antropoceen, " door Xingchen Tony Wang, Anne Cohen, Victoria Luu, Haojia Ren, Zhan Su, Gerald Haug en Daniel Sigman, werd online gepubliceerd in de week van 1 oktober 2018 in de Proceedings van de National Academy of Sciences .