Kleine diatomeeën, grote klimaatimpact: Hoe microscopische skeletten de oceaanchemie snel beïnvloeden

Representatieve SEM-afbeeldingen en EDX-elementkaarten van gereageerd bSi na 40 dagen. (A) 0Fe(II) + bSi, (B) 1000Fe(II) + bSi, (C) 1000Fe(II) + bSi + Al, en de morfologie en EDX-spectra van neo gevormde fasen in 1000Fe(II) + bSi + Al (D) en 1000Fe(II) + bSi + FeAl (E) behandelingen. Geen veranderingen in morfologie werden waargenomen in de 0 μM Fe(II) behandeling (A), terwijl bSi uitgebreid werd veranderd en elementaire associatie van Fe, Si en O werd waargenomen in [(B) en (C)]. Vlekvormige rozetclusters van authentieke fasen werden waargenomen in [(D) en (E)], met beide fasen rijk aan Fe, Si, Al en Mg met kleine hoeveelheden Ca. Gestreepte gebieden in [(D) en (E)] tonen een ingezoomde weergave met EDX-spectra genomen op het kruispunt.

Diatomen: Schoonheid en een Cruciale Rol in het Mariene Ecosysteem

Als je weet wat diatomen zijn, is het waarschijnlijk vanwege hun schoonheid. Deze eencellige algen die op de oceaanbodem worden aangetroffen, hebben sierlijke glazen schelpen die onder de microscoop als juwelen schitteren.

Hun ongerepte geometrie heeft kunst geïnspireerd, maar diatomen spelen ook een sleutelrol in de oceaanchemie en ecologie. Terwijl ze leven, dragen deze algen bij aan het klimaat door kooldioxide uit de atmosfeer te absorberen en zuurstof vrij te geven via fotosynthese, terwijl ze de mariene voedselwebben voeden.

Onlangs heeft een team onder leiding van wetenschappers van Georgia Tech onthuld dat diatomen een chemische vingerafdruk achterlaten, lang nadat ze zijn gestorven, en een nog dynamischere rol spelen in het reguleren van het klimaat van de aarde dan eerder werd gedacht.

In een studie gepubliceerd in Science Advances, ontdekten de onderzoekers dat de complexe, op silica gebaseerde skeletten van diatomen binnen slechts 40 dagen veranderen in kleimineralen. Tot de jaren ’90 geloofden wetenschappers dat dit raadselachtige proces honderden tot duizenden jaren in beslag nam. Recente studies hebben dit teruggebracht tot enkele jaren.

“We wisten dat omgekeerde verwering de oceaanchemie vormgeeft, maar niemand verwachtte dat het zo snel zou gebeuren,” zei Yuanzhi Tang, professor aan de School of Earth and Atmospheric Sciences en hoofdauteur van de studie. “Dit toont aan dat reacties op moleculair niveau kunnen weerklinken tot op het niveau waar ze de koolstofcyclus van de oceaan beïnvloeden en uiteindelijk het klimaat.”

Van Glas naar Klei

Wanneer een diatoom sterft, lost het grootste deel van zijn silica-skelet op de oceaanbodem op, waardoor silica terugkeert naar het zeewater. De rest kan omgekeerde verwering ondergaan – een proces dat de silica omzet in nieuwe kleimineralen met sporenelementen, terwijl natuurlijk opgeslagen koolstof terugkeert naar de atmosfeer naarmate sedimenten reageren met zeewater. Deze recycling verbindt de silicium-, koolstof- en sporenelementcycli, beïnvloedt de oceaanchemie en stabiliseert het klimaat van de aarde in de loop van de tijd.

Tang en haar team stelden zich ten doel te ontdekken hoe en hoe snel omgekeerde verwering plaatsvindt. Met behulp van een speciaal gebouwde reactor met twee kamers, recreëerden ze de omstandigheden op de oceaanbodem in het lab. De ene kamer bevatte diatoom-silica, terwijl de andere ijzer- en aluminiummineralen bevatte. Een dunne membraan liet opgeloste elementen mengen terwijl de vaste stoffen gescheiden bleven.

Met geavanceerde microscopie, spectroscopie en chemische analyses volgden de onderzoekers de volledige transformatie van de oplossing van diatomenschelpen naar de vorming van nieuwe kleien. De resultaten waren verbluffend. Binnen slechts 40 dagen werd de diatoomsilica omgevormd tot ijzerrijke kleimineralen – dezelfde mineralen die van nature in mariene sedimenten worden aangetroffen.

Tang merkte op dat deze snelle transformatie betekent dat omgekeerde verwering geen traag achtergrondproces is, maar eerder een actief onderdeel van de chemie van de moderne oceaan. Het kan bepalen hoeveel silica beschikbaar blijft voor diatomen om te groeien, hoeveel kooldioxide wordt vrijgegeven of opgeslagen, en hoe sporenelementen en voedingsstoffen in mariene ecosystemen worden gerecycled.

“Het was opmerkelijk om te zien hoe snel diatoomskeletten konden veranderen in volledig nieuwe mineralen en om de mechanismen achter dit proces te ontrafelen,” zei Simin Zhao, de eerste auteur van het artikel en een voormalig Ph.D. student in Tang’s lab. “Deze transformaties zijn klein van formaat, maar enorm in hun implicaties voor globale elementaire cycli en het klimaat,” voegde ze eraan toe.

De resultaten suggereren dat de invloed van omgekeerde verwering op de gekoppelde silicium-koolstofcycli mogelijk ook op veel kortere tijdschalen reageert, waardoor de oceaanchemie dynamischer wordt – en mogelijk gevoeliger voor moderne milieuwijzigingen.

“Diatomen zijn centraal in mariene ecosystemen en de wereldwijde koolstofpomp,” zei Jeffrey Krause, co-auteur en oceanograaf aan het Dauphin Island Sea Lab en de University of South Alabama. “We wisten al dat ze belangrijk zijn voor oceaanprocessen terwijl ze leven. Nu weten we dat zelfs nadat ze zijn gestorven, de resten van diatomen de oceaanchemie blijven vormgeven op manieren die de koolstof- en voedingsstoffencycli beïnvloeden. Dat is een game-changer voor hoe we over deze processen denken.”

De ontdekking helpt ook een lang bestaand mysterie op te lossen over wat er met silica in de oceaan gebeurt, zegt Tang. Wetenschappers weten al lang dat er meer silica de oceaan binnenkomt dan er op de oceaanbodem wordt begraven. De bevindingen suggereren dat snelle omgekeerde verwering veel ervan in nieuwe mineralen omzet, waardoor de oceaanchemie in balans blijft.

Van Atomen naar Aardse Systemen en Verder

De bevindingen bieden nieuwe gegevens voor klimaatmodellers die bestuderen hoe de oceaan de atmosferische koolstof reguleert. Het onderzoek legt ook de basis voor het verbeteren van modellen van oceaanalkaliteit en kustverzuring – belangrijke hulpmiddelen voor het voorspellen van hoe de aarde zal reageren op klimaatverandering.

“Deze studie verandert hoe wetenschappers denken over de oceaanbodem, niet als een passieve begraafplaats, maar als een dynamische chemische motor,” zei Tang. “Dit is waar chemie samensmelt met aardse systemen.” Door te begrijpen hoe mineralen zich vormen en elementen op atomair niveau uitwisselen, kunnen we zien hoe de oceaan de wereldwijde cycli van koolstof, silicium en metalen vormgeeft. Zelfs reacties op moleculair niveau binnen haarfijne organismen kunnen een uitwerking hebben op de dynamiek van de planeet.

De volgende stappen van het team zijn om te verkennen hoe omgevingsfactoren zoals waterchemie deze transformaties beïnvloeden. Ze zijn ook van plan om monsters van kust- en diepzeelocaties te gebruiken om te zien hoe deze ontdekkingen in het lab zich vertalen naar natuurlijke omgevingen.

“Het is gemakkelijk om over het hoofd te zien wat er stilletjes gebeurt in mariene sedimenten,” zei Tang. “Maar deze subtiele mineraalreacties maken deel uit van de machine die het klimaat van de aarde reguleert, en ze zijn sneller en mooier dan we ooit hadden kunnen voorstellen.”