Wetenschap
Onderzoekers onderzoeken hoe zoetwaterdiatomeeën in het licht blijven
Het lenteweer zorgt voor welkome omstandigheden waarin bloemen en planten in het hele land tot bloei kunnen komen. De juiste mix van temperatuur, vocht en licht helpt de groene wereld levendig te houden.
Het onderwaterplantenleven reageert over het algemeen op soortgelijke aanmoedigingen uit de omgeving, maar een merkwaardige ontdekking in Lake Erie rond 2012 bracht microbiologen ertoe een ongebruikelijke weergave van winterovervloed te bestuderen. De bloei van diatomeeën (microscopische, fotosynthetische algen) leefde volop onder (en binnen) de ijsbedekking van het meer.
"Sommige van de belangrijkste diatomeeënbloeivormers in de winter en de lente, zoals Aulacoseira islandica, hebben een symbiotische relatie met heterotrofe bacteriën die in staat zijn kleine ijskristallen te vormen, waardoor de diatomeeënfilamenten na verloop van tijd gaan drijven, net zoals ijsblokjes in je favoriete drankje drijven. ," zegt Brittany Zepernick, een postdoctoraal onderzoeker en SEC Emerging Scholar bij de afdeling Microbiologie van de UT.
Deze ‘diatomeeënijsblokjes’ drijven naar de ijslaag van Lake Erie en nestelen zich daarin, waardoor ze in positie komen om het licht te absorberen dat nodig is voor fotosynthese gedurende de wintermaanden. Het was goed nieuws voor diatomeeën, die een essentieel onderdeel vormen van het cumulatieve ecosysteem in meren en oceanen over de hele wereld
Deze merkwaardige aanpassing wordt echter bedreigd, omdat de opwarming van de aarde heeft geleid tot wijdverbreide afname van het ijs op de Grote Meren, waardoor Lake Erie de afgelopen winters vrijwel ijsvrij is gebleven en diatomeeën vast zijn blijven zitten in troebele, lichtarme wateren. In deze nieuwe ‘klimaatonbekende wateren’ hielden de aanpassingen waar deze winterdiatomeeën zo lang profijt van hadden, hen plotseling niet langer op.
Dus, wat moet een diatomee doen? Zepernick en collega's wendden zich tot de oevers van Lake Erie om de zich ontwikkelende situatie te onderzoeken. Met de hulp van de Amerikaanse en Canadese kustwacht bemonsterden ze de met ijs bedekte (in 2019) en ijsvrije (in 2020) winterwateren van Lake Erie om te leren hoe diatomeeën reageerden op veranderende omgevingsomstandigheden. Ze publiceerden hun werk onlangs in The ISME Journal .
Twee belangrijke geslachten van diatomeeën domineren de winterbloei:Aulacoseira islandica en Stephanodiscus spp.
"De overvloed aan Stephanodiscus spp. was ongeveer 70 procent lager in de ijsvrije waterkolom van 2020 vergeleken met de met ijs bedekte waterkolom van 2019", zegt Zepernick. "Op dezelfde manier was de overvloed aan Aulacoseira islandica ongeveer 50 procent lager in de ijsvrije waterkolom vergeleken met de met ijs bedekte waterkolom."
Nu de ijsbedekking op de Grote Meren zich op een recordlaagte bevindt – van ongeveer 80% bedekt met ijs in 2018 en 2019 tot slechts 8% bedekt in 2023 – verwachten onderzoekers dat deze trend zich in de komende winters zal voortzetten.
De volgende stap is het bestuderen van de gevolgen hiervan voor Lake Erie, dat samen met de andere Laurentian Grote Meren van de VS en Canada samen ongeveer 20% van het zoete water op aarde bevat.
"Ondanks het cruciale belang van dit systeem wisten we tot ongeveer 2012 niet dat diatomeeënbloei zelfs in de winter-lentemaanden ontstond", zegt Zepernick. "Veel onderzoekers hebben de winterwaterkolom een 'nieuwe grens' of een 'zwarte doos' genoemd. Wat we wel weten is dat diatomeeën van cruciaal belang zijn voor de ecosystemen van regionale meren en het mondiale klimaat."
Diatomeeën vormen naar schatting 20% van de mondiale koolstofvastlegging en zuurstofproductie, spelen een grotere rol in de mondiale biogeochemische cycli en vertegenwoordigen een cruciaal onderdeel van het aquatische ecosysteem in zoetwatersystemen.
"Vandaar dat de grootschalige veranderingen die al gaande zijn in de winter-lente diatomeeëngemeenschappen in Lake Erie en andere meren over de hele wereld zullen resulteren in grootschalige biologische en biogeochemische veranderingen", aldus Zepernick.
Het licht aan het einde van de ijzige tunnel zou kunnen vertrouwen op het aanpassingsvermogen van de diatomeeën. Het recente werk van Zepernick geeft aan dat ze mogelijk clusters kunnen vormen met zelfklevende eiwitten, fasciclins genaamd, om via 'onderwatergolven' geproduceerd door wind, convectie en onderwaterstromingen naar het oppervlak van het modderige water te 'vlotten'.
Een andere aanpassing waar Zepernick op zinspeelde, was dat diatomeeën hun gebruik van protonpompende rhodopinen (PPR's) zouden kunnen vergroten - lichtoogstende, netvliesbevattende eiwitten die zouden kunnen dienen als een alternatief voor de klassieke fotosynthese. Ze probeert momenteel zoetwaterdiatomeeën te isoleren uit monsters van Lake Erie die PPR's bevatten om een model zoetwaterdiatomeeën-PPR-systeem te creëren voor verder onderzoek. Haar bevindingen zouden aanwijzingen kunnen bieden voor de volgende stap van de diatomeeën in een snel veranderend klimaat.
"PPR's zijn een hot topic binnen de mariene literatuur, maar toch weten we heel weinig over hoe deze mechanismen van toepassing zijn op zoetwatersystemen en taxa," zei ze. "Ik ben geïnteresseerd in het ophelderen van de voordelen die PPR's kunnen bieden aan zowel zoetwater- als mariene diatomeeën bij een verscheidenheid aan opkomende en toekomstige klimaatstressoren."