Mariene sneeuw onthult nieuwe inzichten over de export van koolstof naar de diepe zee

Marine sneeuw—een mengsel van dode plankton, afval, slijm en ander organisch materiaal dat langzaam van het oppervlak van de oceaan zinkt—is een belangrijk, maar slecht begrepen onderdeel van de koolstofcyclus in de oceaan. Als de grootste koolstofreservoir van de aarde, sluit de oceaan koolstof weg uit de atmosfeer. Wetenschappers hebben echter moeite om precies te meten en te monitoren hoeveel koolstof er in de oceaan is opgeslagen, wat de inspanningen om ons veranderende klimaat te modelleren en erop te reageren, bemoeilijkt.

Onderzoekers van MBARI en samenwerkingspartners van de University of Rhode Island, de University of Maine, en de University of California, Santa Barbara hebben een uitgebreide analyse uitgevoerd van de ecologische mechanismen die het transport van koolstof naar de diepzee aandrijven. Dit markeert een belangrijke vooruitgang in de inspanningen om de verbinding tussen de oceaan en het klimaat te monitoren. Het team deelde hun bevindingen in een nieuwe onderzoekspublicatie in The ISME Journal.

Ondersteund door de interdisciplinaire EXPORTS veldcampagne van NASA, hebben onderzoekers DNA van 800 individuele deeltjes marine sneeuw geanalyseerd en twee groepen plankton geïdentificeerd die kunnen worden gebruikt om de omvang van koolstoftransport van de atmosfeer naar de diepzee te voorspellen. Dit baanbrekende werk legt de basis voor het verbeteren van satellietgebaseerde modellen voor koolstofexport in de oceaan.

“Dit onderzoek vertegenwoordigt een grote vooruitgang in het kwantificeren van de koolstofcyclus in de oceaan. We hebben een voorspellend model ontwikkeld voor koolstofexport dat oppervlakteplankton gemeenschappen verbindt met de ecologische mechanismen die zich in de diepe oceaan voordoen. Dit model zal de inspanningen verbeteren om satellietobservaties van de oppervlakte oceaan te koppelen aan de diepzee, beter de gevolgen van klimaatverandering te voorspellen en de effectiviteit van toekomstige oceaan-gebaseerde klimaatinterventies te evalueren,” zei Sasha Kramer, postdoctoraal onderzoeker bij MBARI en hoofdauteur van de studie.

De oceaan fungeert als een koolstofsnelweg—het absorbeert koolstofdioxide aan het oppervlak, waarna het zeeleven het transformeert en naar diepere wateren transporteert in de vorm van zinkend organisch materiaal. Marine sneeuw is een cruciaal onderdeel van de koolstofcyclus in de oceaan. Echter, zinkende deeltjes van organisch materiaal zijn moeilijk waar te nemen, en stormen van marine sneeuw zijn uitdagend te voorspellen.

De sequestratie van koolstof in de diepten van de oceaan blijft een van de meest onzekere onderdelen van de wereldwijde koolstofcyclus. Omdat we de export van koolstof van het oppervlak naar het midden van de oceaan niet volledig begrijpen, kunnen we de koolstofcyclus van de oceaan niet nauwkeurig kwantificeren, noch de veranderingen er in, of de impact op oceaaneven ecosystemen.

Het Carbon Flux Ecology Team van MBARI, geleid door wetenschapper Colleen Durkin, bestudeert de microscopische biologische interacties die koolstofexport in de oceaan controleren. Het onderzoek van het team richt zich op de complexe zinkende deeltjes die door de oceaan diepten te vinden zijn en de diverse gemeenschappen van organismen die deze deeltjes produceren, transformeren en ervan voeden terwijl ze van het oppervlakte naar de diepe oceaan afdalen. Dit werk helpt bij het bevorderen van wereldwijde observaties en modellen van het klimaat en oceaanecosystemen van de aarde.

“De oceaan en zijn bewoners exporteren koolstof op grote schaal, allemaal aangedreven door kleine plankton. Microscopische processen vertalen zich naar wereldwijde impact,” legde Durkin uit. “Door onze focus te verschuiven naar individuele deeltjes en de biologie en ecologie van individuele plankton groepen te onderzoeken, hebben we verrassende verbindingen gevonden die de inspanningen om de koolstofexport in de oceaan te meten en te monitoren kunnen transformeren.”

Het EXPORTS-programma is een grootschalige multi-institutionele inspanning geleid door NASA die een verscheidenheid aan disciplines en perspectieven samenbrengt—waaronder oceaanoptica, remote sensing en moleculaire biologie—om diverse geavanceerde technologieën in te zetten om het transport van koolstof van de oppervlakte oceaan naar de diepzee te begrijpen.

Kramer en Durkin namen deel aan EXPORTS veldcampagnes in de Noord-Atlantische en Noord-Pacifische Oceaan. Met een team van onderzoekers van MBARI, de University of Rhode Island, de University of Maine, en de University of California, Santa Barbara, sorteerden ze zorgvuldig de individuele zinkende deeltjes die werden verzameld door sedimentvallen op vijf diepten van 100 tot 500 meter. Vorige studies onderzochten doorgaans bulk-gefilterde biomassa, niet individuele deeltjes.

De innovatieve aanpak van het team stelde hen in staat om fijnere details te vergelijken van hoe koolstof werd verpakt en getransporteerd met de informatie die in bulkdeeltjes zat. Ze onderzochten 18S rRNA-gensequenties van plankton die in oppervlaktezeewater, bulk-gefilterde deeltjes, en 800 individuele deeltjes marine sneeuw werden bemonsterd. Deze genetische tags stelden onderzoekers in staat om specifieke planktongroepen in de oppervlakte oceaan te detecteren en hun transport naar diepere wateren te volgen waar hun koolstof wordt opgeslagen.

Door de relatieve overvloed van genetische sequenties te koppelen aan chemische metingen van zinkende koolstof, kon het team voorspellende relaties identificeren tussen de export van specifieke plankton taxa en de omvang van koolstofflux met diepte. Ze ontdekten dat twee belangrijke groepen plankton—diatomeeën en fotosynthetische Hacrobia—kunnen worden gebruikt om de omvang van koolstofexport naar de diepe oceaan te voorspellen.

De relaties die in deze studie zijn gevonden, vergroten de bruikbaarheid van satellietobservaties van de oceaan. Satellieten zijn het krachtigste hulpmiddel om mariene processen op wereldschaal te visualiseren. Nieuwe oceankleur satellieten, zoals NASA’s PACE missie, bieden een frisse kijk op de oceaan vanuit de ruimte. PACE is uitgerust met een hyperspectrale Ocean Color Instrument—a radiometer die wetenschappers in staat stelt de pigmenten in verschillende taxonomische groepen plankton in de oppervlakte oceaan te kwantificeren.

Wetenschappers kunnen nu specifiek zoeken naar bloei van diatomeeën en Hacrobia om betere modellen te ontwikkelen die de koolstofexport naar de diepten van de oceaan op wereldschaal schatten. Aangezien beide sleutelplanktongroepen die hier zijn geïdentificeerd betrouwbaar kunnen worden gedetecteerd met DNA-sequencing en satellietobservaties, kan de relatie met koolstofexport in andere regio’s en ecosystemen worden getest.

“Reageren op de klimaatcrisis vereist grote sprongen vooruit in ons vermogen om het oceaaneecosysteem te monitoren. We moeten nieuwe manieren vinden om de processen die zich op microscopische schaal voordoen te observeren en dat perspectief te integreren met de klimaatdrivers die zich op wereldschaal voordoen,” zei Durkin.

“Dit werk demonstreert de waarde van vertalen tussen wetenschappelijke disciplines en fysieke schalen. Door de kleine microben binnen marine sneeuwdeeltjes te identificeren, kunnen we strategisch gebruik voorstellen van onze wereldwijde observatietechnologieën die de monitoring van de koolstofcyclus in de oceaan kunnen verbeteren.”