Een nieuwe studie toont aan dat "hotspots" van voedingsstoffen rond fytoplankton - kleine zeealgen die ongeveer de helft van de zuurstof produceren die we elke dag inademen - een buitensporige rol spelen bij het vrijkomen van een gas dat betrokken is bij wolkenvorming en klimaatregulering.

Het nieuwe onderzoek kwantificeert de manier waarop specifieke mariene bacteriën een belangrijke chemische stof verwerken, genaamd dimethylsulfoniopropionaat (DMSP), dat in enorme hoeveelheden wordt geproduceerd door fytoplankton. Deze chemische stof speelt een cruciale rol in de manier waarop zwavel en koolstof worden geconsumeerd door micro-organismen in de oceaan en vrijkomen in de atmosfeer.

Het werk wordt gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van MIT-afgestudeerde student Cherry Gao, voormalig MIT-hoogleraar civiele en milieutechniek Roman Stocker (nu professor aan ETH Zürich, in Zwitserland), in samenwerking met Jean-Baptiste Raina en professor Justin Seymour van de University of Technology Sydney in Australië, en vier anderen.

Jaarlijks wordt meer dan een miljard ton DMSP geproduceerd door micro-organismen in de oceanen, goed voor 10 procent van de koolstof die wordt opgenomen door fytoplankton - een belangrijke "put" voor koolstofdioxide, zonder welke het broeikasgas zich nog sneller zou ophopen in de atmosfeer. Maar hoe deze verbinding precies wordt verwerkt en hoe de verschillende chemische routes ervan in de wereldwijde koolstof- en zwavelcycli voorkomen, was tot nu toe niet goed begrepen, zegt Gao.

"DMSP is een belangrijke voedingsbron voor bacteriën, " zegt ze. "Het voldoet tot 95 procent van de bacteriële zwavelvraag en tot 15 procent van de bacteriële koolstofbehoefte in de oceaan. Dus gezien de alomtegenwoordigheid en de overvloed aan DMSP, we verwachten dat deze microbiële processen een belangrijke rol zullen spelen in de wereldwijde zwavelcyclus."

Gao en haar collega's hebben een mariene bacterie, genaamd Ruegeria pomeroyi, genetisch gemodificeerd. waardoor het fluoresceert wanneer een van de twee verschillende routes voor het verwerken van DMSP werd geactiveerd, waardoor de relatieve expressie van de processen onder verschillende omstandigheden kan worden geanalyseerd.

Een van de twee wegen, genaamd demethylering, produceert op koolstof en zwavel gebaseerde voedingsstoffen die de microben kunnen gebruiken om hun groei te ondersteunen. De andere weg, decolleté genoemd, produceert een gas genaamd dimethylsulfide (DMS), die Gao uitlegt "is de verbinding die verantwoordelijk is voor de geur van de zee. Ik rook de oceaan veel in het laboratorium toen ik aan het experimenteren was."

DMS is het gas dat verantwoordelijk is voor het grootste deel van de biologisch afgeleide zwavel die vanuit de oceanen de atmosfeer binnenkomt. Eenmaal in de atmosfeer, zwavelverbindingen zijn een belangrijke bron van condensatie voor watermoleculen, dus hun concentratie in de lucht beïnvloedt zowel regenpatronen als de algehele reflectiviteit van de atmosfeer door wolkenvorming. Inzicht in het proces dat verantwoordelijk is voor een groot deel van die productie kan op meerdere manieren belangrijk zijn voor het verfijnen van klimaatmodellen.

Die klimaatimplicaties zijn "waarom we geïnteresseerd zijn om te weten wanneer bacteriën besluiten om de splitsingsroute te gebruiken versus de demethyleringsroute, " om beter te begrijpen hoeveel van het belangrijke DMS onder welke omstandigheden wordt geproduceerd, zegt Gao. "Dit is al minstens twee decennia een open vraag."

Uit de nieuwe studie bleek dat de concentratie van DMSP in de omgeving reguleert welke route de bacteriën gebruiken. Beneden een bepaalde concentratie demethylering was dominant, maar boven een niveau van ongeveer 10 micromol, het splitsingsproces domineerde.

"Wat ons echt verbaasde was, bij experimenten met de gemanipuleerde bacteriën, we ontdekten dat de concentraties van DMSP waarin de splitsingsroute domineert, hoger is dan verwacht - ordes van grootte hoger dan de gemiddelde concentratie in de oceaan, " ze zegt.

Dat suggereert dat dit proces nauwelijks plaatsvindt onder typische oceaanomstandigheden, concludeerden de onderzoekers. Liever, Microschaal "hotspots" met verhoogde DMSP-concentratie zijn waarschijnlijk verantwoordelijk voor een zeer onevenredige hoeveelheid wereldwijde DMS-productie. Deze "hotspots" op microschaal zijn gebieden rond bepaalde fytoplanktoncellen waar extreem hoge hoeveelheden DMSP aanwezig zijn met een ongeveer duizend keer hogere dan gemiddelde oceanische concentratie.

"We hebben eigenlijk een co-incubatie-experiment gedaan tussen de gemanipuleerde bacteriën en een DMSP-producerend fytoplankton, " zegt Gao. Het experiment toonde aan "dat inderdaad, bacteriën verhoogden hun expressie van de DMS-producerende route, dichter bij het fytoplankton."

De nieuwe analyse moet onderzoekers helpen de belangrijkste details te begrijpen van hoe deze microscopisch kleine mariene organismen, door hun collectieve gedrag, beïnvloeden biogeochemische en klimatologische processen op wereldschaal, zeggen de onderzoekers.