Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps

In de uitgestrekte, zonovergoten bovenste lagen van de oceaan groeien en vermenigvuldigen kleine plantjes genaamd fytoplankton, die de basis vormen van het mariene voedselweb. Wanneer deze organismen sterven, of wanneer dieren hen eten en afval produceren, zinkt dit organische materiaal als sneeuwvlokken naar de donkere diepten. Terwijl het valt, breken bacteriën en andere microben het af, een proces dat zuurstof verbruikt. In de meeste delen van de oceaan wordt deze zuurstof snel aangevuld door stromingen en menging. Echter, in specifieke regio's nabij de evenaar is het water zo stabiel en de consumptie van zuurstof zo intens dat er een dikke laag water ontstaat waar zuurstof bijna afwezig is. Wetenschappers noemen dit zuurstofarme zones. In deze donkere, luchtloze omgevingen neemt een ander soort microbieel leven het over. In plaats van zuurstof te ademen, gebruiken deze microben stikstofverbindingen om te overleven, een proces dat uiteindelijk stikstofgas weer afgeeft aan de atmosfeer. Deze verwijdering van stikstof is een cruciaal onderdeel van de chemie van de oceaan en werkt als een rem op hoeveel plantleven de oceaan wereldwijd kan ondersteunen.

Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd precies te begrijpen hoeveel stikstof er in deze zones verloren gaat en waar de brandstof voor dit proces vandaan komt. De heersende opvatting is geweest dat het stikstofverlies bijna volledig wordt gedreven door organisch materiaal dat uit de zonovergoten oppervlakte naar beneden zinkt, zoals een constante regen van dode planten en dieren die van bovenaf valt. Om dit te meten, hebben onderzoekers traditioneel gebruikgemaakt van langdurige verankerde vallen die op de oceaanbodem liggen of op vaste dieptes drijven, waarbij ze dit vallende afval weken of maanden lang verzamelen. Deze langdurige inzetelingen middelen echter vaak de kortstondige uitbarstingen van activiteit die cruciaal kunnen zijn voor het systeem. Bovendien is het naar het oppervlak brengen van watermonsters uit deze diepe, zuurstofarme zones voor testen berucht moeilijk; op het moment dat het water de lucht raakt, kan het gecontamineerd worden met zuurstof, wat de delicate chemische balans die nodig is om de microben binnenin te bestuderen, ruïneert.

Een team van onderzoekers onder leiding van Megan Duffy zette zich in om deze problemen op te lossen door het laboratorium naar de diepe oceaan te brengen, in plaats van de diepe oceaan naar het laboratorium te brengen. Ze zetten een nieuw type instrument in in de oostelijke tropische Noord-Pacific, de thuisbasis van de grootste zuurstofarme zone ter wereld. Deze instrumenten waren geavanceerde, vrij drijvende sedimentvallen uitgerust met incubatiekamers. In plaats van alleen maar vallende deeltjes te verzamelen, konden deze vallen hun poorten op een specifieke diepte sluiten, het water en de zinkende deeltjes binnenin vangen, en vervolgens een speciale tracer injecteren om te meten hoe snel de microben stikstof in gas omzetten, terwijl ze in de koude, donkere, zuurstofvrije druk van hun natuurlijke habitat bleven. Het team voerde deze experimenten uit tijdens drie afzonderlijke cruises in 2017, 2018 en 2019, waarbij gegevens op verschillende dieptes binnen de zuurstofarme laag werden vastgelegd.

De resultaten onthulden een beeld van de oceaan dat veel dynamischer en verrassender was dan de standaardmodellen voorspelden. De onderzoekers ontdekten dat de stroom van zinkende deeltjes niet de gladde, voorspelbare afname volgde die decennialang werd verwacht. In plaats van simpelweg dunner te worden naarm terwijl ze dieper vielen, nam de hoeveelheid organisch materiaal op bepaalde diepten binnen de zuurstofarme zone zelfs toe. Deze "geïnverteerde flux" betekende dat vers organisch materiaal vanuit bronnen die daar direct in het water aanwezig waren, de middelste zone van de donkere zone in werd geïnjecteerd, in plaats van alleen maar van het oppervlak naar beneden te vallen. Het team identificeerde twee hoofdbronnen voor deze lokale productie. Ten eerste, aan de bovenkant van de zuurstofarme zone, groeide een secundaire laag groene algen, specifelijk een type cyanobacterie dat aangepast is aan weinig licht, die vers materiaal toevoegde aan de zinkende stroom. Ten tweede, dieper beneden, bewogen dieren zoals zoöplankton en kleine vissen op en neer door de waterkolom, waarbij ze afval en fragmenten achterlieten die de organische materie op die specifieke dieptes aanvulden.

Wanneer de onderzoekers de snelheid maten waarmee stikstofgas werd geproduceerd, ontdekten ze dat deze lokale bronnen van organische materie het proces meer aanstuurden dan voorheen gedacht. De experimenten toonden aan dat de microben die op de zinkende deeltjes leefden, verantwoordelijk waren voor een enorm deel van het stikstofverlies. Sterker nog, de snelheden van stikstofproductie die rechtstreeks in de diepe oceaan werden gemeten, waren hoger dan die in eerdere studies die vertrouwden op het naar het oppervlak brengen van watermonsters. Dit suggereert dat de traditionele bemonsteringsmethoden de meest actieve hotspots van microbieel leven mogelijk hebben gemist, waarschijnlijk omdat de grote deeltjes die deze reacties voeden te snel zinken om door standaard waterflesmonsters te worden opgevangen. Door de deeltjes en het water samen in hun natuurlijke omgeving te houden, legden de nieuwe vallen de werkelijke intensiteit van de biologische activiteit vast.

De studie daagde ook het idee uit dat de hoeveelheid verloren gegane stikstof strikt gekoppeld is aan de hoeveelheid plantengroei aan het absolute oppervlak van de oceaan. Hoewel de productiviteit aan het oppervlak wel degelijk uitmaakt, ontdekten de onderzoekers dat de zinkende flux van deeltjes vaak consistent bleef, zelfs wanneer de groei aan het oppervlak sterk varieerde. Dit komt omdat het systeem niet alleen wordt gevoed door wat van bovenaf valt, maar door wat er binnen de donkere zone zelf wordt gecreëerd. De cyanobacteriën en de migrerende dieren fungeren als interne motoren die verse organische materie genereren, wat de stikstofverwijderende microben gevoed houdt, zelfs wanneer de oppervlakte-wateren rustig zijn. Deze ontdekking verandert het begrip van hoe de stikstofhuishouding van de oceaan werkt. Het suggereert dat naarmate klimaatverandering deze zuurstofarme zones doet uitbreiden en naar nieuwe gebieden laat verschuiven, de oceaan stikstof met hoge snelheden kan blijven verliezen, aangedreven door deze interne voedselbronnen, in plaats van af te nemen zoals de oppervlakteproductiviteit anders zou dicteren.

De onderzoekers berekenden de totale hoeveelheid stikstof die in een jaar tijd uit deze regio verloren gaat op basis van hun metingen. Ze schatten dat zinkende deeltjes alleen al verantwoordelijk zijn voor het verlies van ongeveer 24,0 teragram stikstof per jaar, en wanneer de opgeloste componenten van het water worden meegerekend, bereikt het totale verlies 40,7 teragram. Deze cijfers komen nauw overeen met eerdere schattingen gemaakt met andere methoden, wat wetenschappers vertrouwen geeft in de nieuwe aanpak. Het belangrijkste punt is echter niet alleen de totale hoeveelheid, maar het mechanisme. De studie bewijst dat de oceaan geen passieve ontvanger is van afval van het oppervlak; het is een actief, zelfvoorzienend systeem waar het leven in het donker zijn eigen brandstof creëert om de wereldwijde stikstofcyclus aan te drijven. Door de oceaan in haar natuurlijke staat te observeren, zonder de verstoring van het naar het oppervlak brengen ervan, heeft het team een duidelijker en nauwkeuriger beeld gegeven van een van de belangrijkste chemische processen van de planeet.