Hoe sporenelementen worden gerecycled in de diepe zee

Afdruk van de zeebodem op de concentratie van Nd in de waterkolom in de Stille Oceaan.

Sporenmetalen zoals ijzer of zink die zijn opgeslagen in diepzeesedimenten, zijn voor altijd verloren voor fytoplankton aan het oceaanoppervlak. Dit was lange tijd de overtuiging van geochemici over de cyclus van micronutriënten in zeewater. Onderzoekers van ETH Zürich hebben nu ontdekt dat dit niet het geval is.

De oceanen zitten vol leven, met microscopische algen (fytoplankton) aan de basis van de mariene voedselketen. Deze organismen maken op dezelfde manier als landplanten gebruik van zonlicht, dat doordringt tot ongeveer de eerste 100 meter van de oceaan, als energiebron om organische stof voor hun cellen te synthetiseren. Jaarlijks produceren deze kleine algen ongeveer evenveel organische koolstof als landplanten. Net als landplanten halen ze de bouwstenen van hun cellen uit de omgeving – in dit geval niet uit de bodem, maar uit de zeewateroplossing waarin ze leven.

Wanneer deze algen sterven, vallen ze echter in de donkere diepzee, waar hun dode cellen vergaan door de werking van bacteriën. De elementen die ze nodig hebben om te groeien, gaan dus verloren uit het deel van de oceaan waarin ze zich bevinden en komen weer in oplossing in de diepzee. Op de een of andere manier moeten deze elementen teruggebracht worden van de diepzee naar het oppervlak, zodat de hele cyclus opnieuw kan beginnen. De elementen die deze organismen nodig hebben zijn dezelfde als die op land – koolstof, stikstof en fosfor – de elementen die op landbouwgrond in meststoffen worden toegepast – evenals de vele metalen die al het leven vereist, zoals ijzer, zink en anderen.

Fytoplankton zijn belangrijk voor ons klimaat omdat de koolstof die ze uit het oppervlaktewater verwijderen, wordt onttrokken aan de atmosfeer en naar de diepzee wordt gebracht, waardoor de concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer lager blijft dan anders het geval zou zijn. In de discussie over strategieën om de huidige en toekomstige stijging van CO2 te verminderen, is een optie om de snelheid waarmee oceaanalgen dit proces uitvoeren, aanzienlijk te verhogen.

Echter, de snelheid waarmee ze dit doen, hangt af van de beschikbaarheid van “nutriënt” elementen in de zeewateroplossing – de stikstof, fosfor en sporenmetalen die zeer schaars zijn in de verlichte bovenste oceaan. Hoe deze elementen uit de bovenste oceaan worden verwijderd en teruggecycled naar de diepzee is cruciaal voor de werking van het verleden, het heden en de toekomst van het klimaat op aarde.

In het nieuwe artikel gepubliceerd in Nature hebben onderzoekers van ETH Zürich, onder leiding van geochemicus Derek Vance, tracers van oceaanchemie gebruikt om te ontdekken dat een aanzienlijk deel van veel metalen snel en permanent uit de zeewateroplossing wordt verwijderd door een proces dat niets met biologie te maken heeft: door opname in vaste mangaanoxide deeltjes die uit zeewater neerslaan en helemaal naar de sedimenten op de bodem van de oceaan vallen.

Ze hebben ook ontdekt dat de metalen weer naar het diepste zeewater worden teruggebracht door chemische reacties die plaatsvinden in het sediment en die de metalen uit het vaste mangaanoxide vrijgeven, terug in oplossing. Uiteindelijk hebben ze een numeriek model van de transportfysica in de oceaan gebruikt om aan te tonen dat de metalen die in oplossing in het sediment worden vrijgegeven en die lekken over de interface tussen het sediment en de diepzee, weer door de oceaan worden gemengd.

Vance zegt: “Onze studie verandert de manier waarop we oceaanchemie en de impact ervan op oceaanbiologie en klimaat beschouwen.” Voor het eerst toont het aan dat het lekken van materiaal dat ooit werd beschouwd als permanent verloren uit de oceanen naar het vaste sediment op de bodem cruciaal is voor de manier waarop onderzoekers denken over de zeewateroplossing en de vele elementen die essentieel zijn voor de werking van oceaanbiologie.