Pyrite oxidation flux underestimated due to landscape-mediated microbial sulfate reduction

De atmosfeer van de aarde is een delicate balansrekening, die voortdurend wordt geschreven en herschreven door geologische processen. Aan de ene kant verweren gesteenten en halen koolstofdioxide uit de lucht, wat fungeert als een koelmechanisme. Aan de andere kant zorgt de afbraak van bepaalde mineralen ervoor dat er koolstofdioxide terug de lucht in wordt vrijgegeven. Onder deze mineralen speelt pyriet — vaak "mannetjesgoud" genoemd — een verrassend grote rol. Wanneer pyriet wordt blootgesteld aan lucht en water, oxideert het, waardoor zwavelzuur ontstaat dat het omringende gesteente wegvreet en koolstofdioxide vrijgeeft. Dit proces verbruikt ook zuurstof. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd te meten hoeveel pyriet er afbreekt in bergketens, omdat dit getal helpt bepalen of de bergen een netto put voor koolstof zijn of een bron. Om dit te doen, keken ze traditioneel naar de chemische vingerafdrukken van sulfaat, een bijproduct van de afbraak van pyriet, die uit rivieren stromen. Ze gingen ervan uit dat deze vingerafdrukken een rechtlijnig verhaal vertelden: als het sulfaat er op een bepaalde manier uitzag, kwam het van pyriet; als het er op een andere manier uitzag, kwam het van de oplossing van oude zoutafzettingen.

Echter, een nieuwe studie uit de brongebieden van de Ganges in de Himalaya suggereert dat dit traditionele beeld een cruciale hoofdstuk mist. De onderzoekers ontdekten dat de chemische signalen die worden gebruikt om pyriet te volgen, worden aangetast door microscopisch leven dat in de bodem en het grondwater leeft. Specifiek veranderen bacteriën die sulfaat consumeren de chemische samenstelling van het water voordat het de rivier überhaupt bereikt. Deze verborgen biologische activiteit betekent dat eerdere berekeningen waarschijnlijk hebben onderschat hoeveel pyriet er daadwerkelijk oxideert. Als de wetenschappers gelijk hebben, zou de hoeveelheid koolstofdioxide die vrijkomt door de verwering van bergen bijna het dubbele kunnen zijn van wat eerder werd gedacht, wat ons begrip van hoe bergen het klimaat van de planeet en de zuurstofniveaus over miljoenen jaren beïnvloeden, fundamenteel verandert.

Het team, geleid door onderzoekers van het Indian Institute of Technology Kanpur en ETH Zürich, richtte zijn onderzoek op het ruige terrein van de Alaknanda- en Bhagirathi-stroomgebieden. Deze gebieden zijn perfect voor dit soort studies omdat ze een grote verscheidenheid aan gesteenten bevatten en verschillende snelheden van erosie en neerslag ervaren. De wetenschappers verzamelden watermonsters uit rivieren en stromen in dit landschap, waarbij ze niet alleen de chemie van het water maten, maar ook de genetische markers van de microben die erin leven. Ze zochten naar een specif kind gen, bekend als dsrB, dat fungeert als een handtekening voor bacteriën die microbiële sulfaatreductie uitvoeren. Dit is een proces waarbij bacteriën zuurstof uit sulfaatmoleculen strippen om te overleven in zuurstofarme omgevingen, die vaak diep in de bodem of in de barsten van rotsen worden gevonden.

Wat de onderzoekers ontdekten, was een duidelijke link tussen het landschap en de microben. In gebieden waar het land langzaam erodeert en de bodem dik is, doet het water er lang over om van het oppervlak naar de rivier te reizen. Deze langzame reis zorgt ervoor dat zuurstof wordt verbruikt door plantenwortels en andere organismen, wat de perfecte anoxische, of zuurstofvrije, condities creëert waarin de sulfaat-etende bacteriën kunnen gedijen. In deze langzaam bewegende, lage-erosieomgevingen waren de bacteriën talrijk, en de chemische signatuur van het sulfaat in het water werd zwaar veranderd. De bacteriën consumeerden niet alleen het sulfaat; ze veranderden de isotopische samenstelling ervan op een manier die het liet lijken alsof het van een geheel andere bron kwam. De studie toonde aan dat hoe meer deze bacteriën aanwezig waren, hoe meer de chemische signalen afweken van wat men zou verwachten bij eenvoudige verwering van gesteente.

Cruciaal was dat het team vond dat deze biologische overschrijving niet willekeurig was, maar werd gecontroleerd door de fysieke vorm van het land en het klimaat. In steile, snel eroderende landschappen, of in gebieden die bedekt zijn met gletsjers, is de bodem dun en beweegt het water snel. Er is weinig tijd om zuurstof te verbruiken, waardoor de sulfaat-etende bacteriën geen sterke aanwezigheid kunnen vestigen en de chemische signalen relatief onveranderd blijven. Maar in de langzaam eroderende, warmere en nattere delen van het stroomgebied blijft het water lang genoeg in de bodem hangen zodat de bacteriën hun werk kunnen doen. De onderzoekers vonden dat de mate van deze verandering het grootst was waar de fysieke erosiesnelheden laag waren en de neerslag matig tot laag was, een combinatie die de tijd die water ondergronds doorbrengt maximaliseert.

Deze ontdekking heeft diepgaande implicaties voor ons begrip van de wereldwijde zwavel- en koolstofcycli. Jarenlang hebben wetenschappers de chemische samenstelling van riviersulfaat gebruikt om te schatten hoeveel pyriet er wereldwijd wordt geoxideerd. Ze namen aan dat als het sulfaat eruitzag alsof het van oude zoutafzettingen kwam, het niet van pyriet kwam. Maar de nieuwe gegevens suggereren dat de bacteriën het door pyriet afgeleide sulfaat eruit laten zien alsof het van zoutafzettingen kwam. Wanneer de onderzoekers hun nieuwe begrip toepasten op een wereldwijde database van rivierchemie, waren de resultaten verbijsterend. Ze ontdekten dat in veel rivieren het sulfaat bijna volledig afkomstig was van pyrietoxidatie, zelfs toen de chemische signalen eerder suggereerden dat dit niet het geval was.

Door te corrigeren voor deze microbiële interferentie, berekende het team dat de wereldwijde flux van sulfaat door pyrietoxidatie waarschijnlijk tussen de 2,0 en 2,5 biljoen mol per jaar ligt. Dit is aanzienlijk hoger dan eerdere schattingen, die rond de 1,3 tot 1,6 biljoen mol per jaar schommelden. In simpelere termen: de hoeveelheid koolstofdioxide die in de atmosfeer wordt vrijgegeven door de verwering van pyriet in bergen kan bijna het dubbele zijn van wat we dachten. Dit betekent niet dat de aarde in onmiddellijk gevaar is, maar het betekent wel dat onze modellen van hoe de planeet haar temperatuur reguleert over geologische tijdschalen moeten worden bijgewerkt. De bergen, die vaak worden gezien als plaatsen die koolstof uit de lucht trekken door de verwering van silicaatgesteenten, zouden wel eens meer koolstof kunnen uitstoten dan ze absorberen wanneer de volledige impact van pyrietoxidatie wordt meegerekend.

De studie benadrukt ook de ingewikkelde verbinding tussen de fysieke wereld en de microscopische wereld. De vorm van de bergen, de snelheid van erosie en de hoeveelheid regen bepalen allemaal het gedrag van onzichtbare bacteriën, die op hun beurt de chemische geschiedenis van het water dat naar de oceanen stroomt, herschrijven. De onderzoekers waren in staat dit te bevestigen door de overvloed van de sulfaatreducerende bacteriën direct in de watermonsters te meten. Ze vonden dat waar de bacteriën het meest talrijk waren in verhouding tot de hoeveelheid beschikbare sulfaat, de chemische verstoring het grootst was. Dit bood een directe, kwantitatieve link tussen het landschap, de microben en de wereldwijde koolstofcyclus.

Dit werk suggereert niet dat de vorige modellen volledig fout waren, maar eerder dat ze incompleet waren. Het traditionele beeld beschouwde de chemische signalen in rivieren als een statisch verslag van gesteenteverwering. Het nieuwe onderzoek onthult dat dit verslag dynamisch is, voortdurend bewerkt door biologische processen die grotendeels over het hoofd zijn gezien in terrestrische omgevingen. De studie benadrukt dat wetenschappers, om de geschiedenis van het klimaat van de aarde echt te begrijpen, verder moeten kijken dan de rotsen en het water naar het leven dat daarin bestaat. De volgende keer dat we de rol van bergen in de wereldwijde koolstofcyclus overwegen, moeten we onthouden dat het verhaal niet alleen in steen geschreven is, maar ook in de bodem, waar minuscule bacteriën de chemie van de planeet stilletjes vormgeven.