historisch, de oceanen hebben veel van het zware werk van de planeet gedaan als het gaat om het vastleggen van koolstofdioxide uit de atmosfeer. Microscopische organismen die gezamenlijk bekend staan ​​als fytoplankton, die door de zonovergoten oceanen aan de oppervlakte groeien en koolstofdioxide absorberen door middel van fotosynthese, zijn een belangrijke speler.

Om de escalerende kooldioxide-emissies die door de verbranding van fossiele brandstoffen worden geproduceerd, tegen te gaan, sommige wetenschappers hebben voorgesteld de oceanen te bezaaien met ijzer, een essentieel ingrediënt dat de groei van fytoplankton kan stimuleren. Een dergelijke "ijzerbemesting" zou enorme nieuwe velden van fytoplankton cultiveren, vooral in gebieden die normaal verstoken zijn van zeeleven.

Een nieuwe MIT-studie suggereert dat ijzerbemesting mogelijk geen significante invloed heeft op de groei van fytoplankton, althans op wereldschaal.

De onderzoekers bestudeerden de interacties tussen fytoplankton, ijzer, en andere voedingsstoffen in de oceaan die fytoplankton helpen groeien. Hun simulaties suggereren dat op wereldschaal, het zeeleven heeft de oceaanchemie afgestemd door deze interacties, evolueren om een ​​niveau van oceaanijzer te behouden dat een delicate balans van voedingsstoffen in verschillende delen van de wereld ondersteunt.

"Volgens ons kader, ijzerbemesting kan geen significant algemeen effect hebben op de hoeveelheid koolstof in de oceaan, omdat de totale hoeveelheid ijzer die microben nodig hebben al precies goed is, '' zegt hoofdauteur Jonathan Lauderdale, een onderzoekswetenschapper in het MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen.

De co-auteurs van het artikel zijn Rogier Braakman, Gaël vergeet, Stephanie Dutkiewicz, en Mick Follows aan het MIT.

Ligand soep

Het ijzer waarvan fytoplankton afhankelijk is om te groeien, is grotendeels afkomstig van stof dat over de continenten strijkt en uiteindelijk bezinkt in oceaanwater. Hoewel op deze manier enorme hoeveelheden ijzer kunnen worden afgezet, het grootste deel van dit ijzer zinkt snel, ongebruikt, naar de zeebodem.

"Het fundamentele probleem is mariene microben hebben ijzer nodig om te groeien, maar ijzer blijft niet hangen. Zijn concentratie in de oceaan is zo minuscuul dat het een waardevolle hulpbron is, ' zegt Lauderdale.

Vandaar, wetenschappers hebben ijzerbemesting naar voren gebracht als een manier om meer ijzer in het systeem te introduceren. Maar de beschikbaarheid van ijzer voor fytoplankton is veel hoger als het gebonden is aan bepaalde organische verbindingen die ijzer in de oceaan aan de oppervlakte houden en die zelf door fytoplankton worden geproduceerd. Deze verbindingen, bekend als liganden, vormen wat Lauderdale beschrijft als een "soep van ingrediënten" die meestal afkomstig zijn van organische afvalproducten, dode cellen, of sideroforen - moleculen die de microben hebben ontwikkeld om zich specifiek met ijzer te binden.

Er is niet veel bekend over deze ijzervangende liganden op ecosysteemschaal, en het team vroeg zich af welke rol de moleculen spelen bij het reguleren van het vermogen van de oceaan om de groei van fytoplankton te bevorderen en uiteindelijk koolstofdioxide te absorberen.

"Mensen hebben begrepen hoe liganden ijzer binden, maar niet wat zijn de opkomende eigenschappen van een dergelijk systeem op wereldschaal, en wat dat betekent voor de biosfeer als geheel, " zegt Braakman. "Dat hebben we hier proberen na te bootsen."

Ijzer sweet spot

De onderzoekers wilden de interacties tussen ijzer, liganden, en macronutriënten zoals stikstof en fosfaat, en hoe deze interacties de wereldbevolking van fytoplankton beïnvloeden en, gelijktijdig, het vermogen van de oceaan om koolstofdioxide op te slaan.

Het team ontwikkelde een eenvoudig model met drie dozen, waarbij elke doos een algemeen oceaanmilieu vertegenwoordigt met een bepaalde balans tussen ijzer en macronutriënten. Het eerste vak vertegenwoordigt afgelegen wateren zoals de Zuidelijke Oceaan, die typisch een behoorlijke concentratie van macronutriënten hebben die vanuit de diepe oceaan worden opgeweld. Ze hebben ook een laag ijzergehalte gezien hun grote afstand tot een continentale stofbron.

Het tweede kader vertegenwoordigt de Noord-Atlantische Oceaan en andere wateren die een tegengesteld evenwicht hebben:rijk aan ijzer vanwege de nabijheid van stoffige continenten, en laag in macronutriënten. De derde box is een stand-in voor de diepe oceaan, dat een rijke bron van macronutriënten is, zoals fosfaten en nitraten.

De onderzoekers simuleerden een algemeen circulatiepatroon tussen de drie vakken om de wereldwijde stromingen weer te geven die alle oceanen van de wereld met elkaar verbinden:de circulatie begint in de Noord-Atlantische Oceaan en duikt naar beneden in de diepe oceaan, dan opwelt in de Zuidelijke Oceaan en keert terug naar de Noord-Atlantische Oceaan.

Het team stelde relatieve concentraties van ijzer en macronutriënten in elke doos, liet vervolgens het model lopen om te zien hoe de groei van fytoplankton zich in elke doos gedurende 10 jaar ontwikkelde, 000 jaar. Ze liepen 10, 000 simulaties, elk met verschillende ligandeigenschappen.

Uit hun simulaties, de onderzoekers identificeerden een cruciale positieve feedbacklus tussen liganden en ijzer. Oceanen met hogere concentraties liganden hadden ook hogere concentraties ijzer beschikbaar voor fytoplankton om te groeien en meer liganden te produceren. Als microben meer dan genoeg ijzer hebben om van te smullen, ze consumeren zoveel mogelijk van de andere voedingsstoffen die ze nodig hebben, zoals stikstof en fosfaat, totdat die voedingsstoffen volledig zijn uitgeput.

Het tegenovergestelde geldt voor oceanen met lage ligandconcentraties:deze hebben minder ijzer beschikbaar voor de groei van fytoplankton, en daarom in het algemeen zeer weinig biologische activiteit hebben, wat leidt tot een lagere consumptie van macronutriënten.

De onderzoekers observeerden in hun simulaties ook een smal bereik van ligandconcentraties die resulteerden in een sweet spot, waar er precies de juiste hoeveelheid ligand was om net genoeg ijzer beschikbaar te maken voor de groei van fytoplankton, terwijl er ook precies de juiste hoeveelheid macronutriënten overblijft om een ​​geheel nieuwe groeicyclus in alle drie de oceaanboxen te ondersteunen.

Toen ze hun simulaties vergeleken met metingen van nutriënten, ijzer, en ligandconcentraties in de echte wereld, ze ontdekten dat hun gesimuleerde sweet spot-bereik de beste match bleek te zijn. Dat is, de oceanen van de wereld lijken precies de juiste hoeveelheid liganden te hebben, en dus ijzer, beschikbaar om de groei van fytoplankton te maximaliseren en macronutriënten optimaal te consumeren, in een zichzelf versterkend en zelfvoorzienend evenwicht van hulpbronnen.

Als wetenschappers de Zuidelijke Oceaan of enig ander ijzerarm water op grote schaal zouden bemesten met ijzer, de inspanning zou tijdelijk fytoplankton stimuleren om te groeien en alle macronutriënten die in die regio beschikbaar zijn, op te nemen. Maar uiteindelijk zouden er geen macronutriënten meer zijn om te circuleren naar andere regio's zoals de Noord-Atlantische Oceaan, die afhankelijk is van deze macronutriënten, samen met ijzer uit stofafzettingen, voor de groei van fytoplankton. Het nettoresultaat zou een uiteindelijke afname van het fytoplankton in de Noord-Atlantische Oceaan zijn en geen significante toename van de wereldwijde opname van kooldioxide.

Lauderdale wijst erop dat er ook andere onbedoelde effecten kunnen zijn bij het bemesten van de Zuidelijke Oceaan met ijzer.

"We moeten de hele oceaan beschouwen als dit onderling verbonden systeem, " zegt Lauderdale, die eraan toevoegt dat als het fytoplankton in de Noord-Atlantische Oceaan zou dalen, dat geldt ook voor al het zeeleven in de voedselketen dat afhankelijk is van de microscopisch kleine organismen.

"Zo'n 75 procent van de productie ten noorden van de Zuidelijke Oceaan wordt gevoed door voedingsstoffen uit de Zuidelijke Oceaan, en de noordelijke oceanen zijn waar de meeste visserij plaatsvindt en waar veel ecosysteemvoordelen voor mensen voorkomen, "zegt Lauderdale. "Voordat we ladingen ijzer dumpen en nutriënten opzuigen in de Zuidelijke Oceaan, we moeten rekening houden met onbedoelde gevolgen stroomafwaarts die de milieusituatie mogelijk nog veel erger maken."