Belangrijkste oorzaak van Sargassum-bloei in de Atlantische Oceaan onthuld

Playa del Carmen, een populaire vakantiebestemming op het Yucatán-schiereiland in Mexico, ondervindt aanzienlijke aanspoelingen van Sargassum tijdens de zomermaanden, net als andere Caribische kusten. Om de toegang tot de stranden voor zwemmers te behouden, moet de bruine algen regelmatig worden verwijderd met behulp van machines. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Chemie hebben nu het mechanisme achter deze algengroei ontdekt met behulp van koraalboorkernen.

Begin juni dit jaar dreven er ongeveer 38 miljoen ton Sargassum naar de kusten van de Caribische eilanden, de Golf van Mexico en het noorden van Zuid-Amerika, wat een negatief record markeert. Vooral tijdens de zomermaanden hopen de bruine algen zich op de stranden op, waardoor ze ontbinden en een onaangename geur verspreiden. Dit stoot niet alleen toeristen af, maar bedreigt ook de kustecosystemen. In de open oceaan dient Sargassum als voedsel en leefgebied voor talrijke mariene soorten.

De algen komen oorspronkelijk uit de Sargassozee, gelegen ten oosten van Florida. Sinds 2011 hebben onderzoekers herhaaldelijk de zogenaamde Grote Atlantische Sargassumgordel waargenomen, een gigantisch tapijt van zeewier dat van de evenaar naar het Caribisch gebied drijft wanneer oostenwinden heersen. Tot nu toe was het onduidelijk waar de voedingsstoffen fosfor (P) en stikstof (N), die de snelle groei stimuleren, vandaan komen. Er werd gesuggereerd dat voedingsstofafvoer door overbemesting en ontbossing in de regenwouden verantwoordelijk konden zijn. Echter, deze processen kunnen de toename van de Sargassum-biomassa in de afgelopen jaren niet verklaren.

Een internationaal onderzoeksteam, geleid door het Max Planck Instituut voor Chemie, heeft nu het belangrijkste mechanisme achter deze algengroei onthuld. De onderzoekers hebben ook de klimatologische omstandigheden geïdentificeerd die dit fenomeen bevorderen, waardoor ze een voorspellend systeem voor toekomstige aanspoelingen van Sargassum hebben ontwikkeld.

Extra stikstof geleverd door cyanobacteriën die op de algen groeien

In de laatste editie van het tijdschrift Nature Geoscience leggen de onderzoekers uit hoe sterke windgedreven opwellings nabij de evenaar fosfor naar het oceaanoppervlak transporteert en noordwaarts naar het Caribisch gebied beweegt. Deze toename van fosforbeschikbaarheid is voordelig voor cyanobacteriën die op de bruine algen groeien. Deze bacteriën kunnen atmosferisch gasvormig stikstof (N2) vastleggen en omzetten in een vorm die door de algen kan worden gebruikt, een proces dat stikstoffixatie wordt genoemd.

Cyanobacteriën zijn bekend om zich te vestigen op Sargassum-algen, waarbij ze een symbiotische relatie vormen waarbij Sargassum profiteert van een aanvullende stikstofbron. Volgens de nieuwe studie biedt deze symbiotische relatie een concurrentievoordeel ten opzichte van andere algen in de Equatoriale Atlantische Oceaan en kan het eerdere veranderingen in de Sargassum-biomassa verklaren.

Nitrogeen-isotopen in koraalboorkernen onthullen stikstoffixatiesnelheden van de afgelopen 120 jaar

De onderzoekers hebben de verbinding tussen algengroei, verhoogde stikstoffixatie en het opwelken van koel, voedingsrijk diep water geïdentificeerd door koraalboorkernen van verschillende Caribische locaties te analyseren. Koraalriffen zijn cruciale archieven om eerdere veranderingen in de oceaan te reconstrueren omdat ze tijdens hun groei chemische handtekeningen uit het water in hun kalkachtige skeletten opnemen. Door de jaarlijkse groeilaag van koraal te analyseren, die lijkt op boomringen, kunnen onderzoekers veranderingen in de chemische samenstelling van de oceaan over de afgelopen eeuwen onthullen.

In deze studie hebben de Max Planck-onderzoekers de stikstofisotopische samenstelling van koralen geanalyseerd om de hoeveelheid stikstof die door micro-organismen in de oceaan is gefixeerd in de afgelopen 120 jaar te reconstrueren. Tijdens stikstoffixatie verlagen bacteriën de verhouding van stabiele stikstofisotopen 15N tot 14N in de oceaan. Periodes met een lage 15N- tot 14N-verhouding in de koraallagen wijzen op tijden van hoge stikstoffixatiesnelheden. Monsters van zeewater verzameld door het onderzoeksschip Eugen Seibold werden gebruikt om de stikstofisotopische samenstelling van moderne koralen te kalibreren, wat aantoont dat ze stikstoffixatie registreren.

Sinds 2011 zijn algen groei en stikstoffixatie aan elkaar gekoppeld

Jonathan Jung, een Ph.D. student aan het Max Planck Instituut voor Chemie en eerste auteur van de studie, legt uit: “Bij de eerste serie metingen merkten we twee significante stijgingen in stikstoffixatie op in 2015 en 2018, twee jaren van record Sargassum-bloei. We vergeleken onze koraalreconstructie met jaarlijkse Sargassum-biomassadata, en de twee records kwamen perfect overeen! Op dat moment was het echter helemaal niet duidelijk of er een causaal verband was.”

De onderzoekers identificeerden een verbinding nadat ze beide sets metingen hadden onderzocht. Het bleek dat niet alleen de maximale waarden, maar de gehele dataserie voor algen groei en stikstoffixatie, inclusief minimumwaarden, sinds 2011 aan elkaar gekoppeld zijn. Deze timing is belangrijk omdat in 2010 sterke winden voor het eerst bruine algen van de Sargassozee naar de tropische Atlantische Oceaan verplaatsten.

Het onderzoeksteam concludeerde dat de overmaat aan fosfor de sleutel is tot Sargassum-bloei door andere mogelijkheden uit te sluiten. Een eerdere theorie suggereerde dat ijzerrijke Sahar stof, dat vaak van Afrika naar de Atlantische Oceaan waait, de groei van de algen bevorderde. Echter, de stofinvoer correleerde niet met de biomassa. Evenzo correleerden voedingsstoffen van de Amazoner of Orinoco rivieren niet met waarnemingen van Sargassum-bloei.

Het nieuwe mechanisme kan worden gebruikt om voorspellingen van toekomstige Sargassum-bloei te verbeteren

In hun publicatie beschrijven de onderzoekers daarom een mechanisme waarin fosfor uit opwellend diep water en stikstof uit stikstoffixatie de algengroei aansteken die in de afgelopen decennia is waargenomen. Geochemicus Jung voegt toe: “Ons mechanisme verklaart de variabiliteit van Sargassum-groei beter dan eerdere benaderingen. Er blijft echter onzekerheid bestaan over de vraag of en in welke mate andere factoren ook een rol spelen.”

De toevoer van fosfor vindt plaats door koelere zeewatertemperaturen in de tropische Noord-Atlantische Oceaan en warmere temperaturen in de zuidelijke Atlantische Oceaan. Deze temperatuurvariaties veroorzaken veranderingen in de luchtdruk, wat leidt tot windanomalieën die het oppervlaktewater verplaatsen en het mogelijk maken dat fosforrijk water uit de diepe zee binnenstroomt.

Volgens de onderzoekers in Mainz kan het waarnemen van winden, zeewatertemperaturen en de daaruit voortvloeiende veranderingen in het opwellen in de equatoriale Atlantische Oceaan helpen om voorspellingen van Sargassum-groei te verbeteren. Alfredo Martínez-García, groepsleider aan het Max Planck Instituut voor Chemie en senior auteur van de studie, legt uit: “Uiteindelijk zal de toekomst van Sargassum in de tropische Atlantische Oceaan afhangen van hoe de wereldwijde opwarming de processen beïnvloedt die de toevoer van overtollig fosfor naar de equatoriale Atlantische Oceaan aansteken.”

Zijn team is van plan om een gedetailleerder inzicht te bieden in deze processen door nieuwe koraalrecords van verschillende locaties in het Caribisch gebied te meten. De onderzoekers verwachten dat deze nieuwe bevindingen kunnen bijdragen aan de inspanningen om de impact van de bloei op Caribische koraalecosystemen en kustgemeenschappen te verminderen.