Onderzoekers volgen hoe ijzertekort de fotosynthese in belangrijke oceaanalgen verstoort

In een dagelijkse taak vóór zonsopgang laten werknemers op de RRS Discovery een meetinstrument in de Zuid-Atlantische Oceaan zakken. Het volgende keer dat je ademhaalt, overweeg dan dit: fotosynthese van algen, aangedreven door ijzerstof in de oceaan, maakte het mogelijk.

Een studie van Rutgers University, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, onthult nu dit vitale proces. IJzer is een essentiële micronutriënt voor mariene fytoplankton, de microscopische algen die de basis vormen van de voedselwebben in de oceaan. Het wordt in de wereldzeeën afgezet als stof uit woestijnen en droge gebieden, evenals uit smeltwater van gletsjers.

“Elke andere ademhaling die je neemt bevat zuurstof uit de oceaan, vrijgegeven door fytoplankton,” zegt Paul G. Falkowski, de Bennett L. Smith Chair in Business and Natural Resources aan Rutgers-New Brunswick en mede-auteur van de studie. “Ons onderzoek toont aan dat ijzer een beperkende factor is in het vermogen van fytoplankton om zuurstof te produceren in uitgestrekte gebieden van de oceaan.”

Wanneer ijzer afwezig of verminderd is, wordt fotosynthese – het proces waarbij lichtenergie wordt omgezet in chemische energie, met zuurstof als bijproduct – vertraagd of stopgezet. Dit beperkt de groei van deze organismen en beïnvloedt hoe efficiënt ze zonlicht kunnen vastleggen en kooldioxide uit de atmosfeer kunnen verwijderen.

Bewijzen suggereren dat klimaatverandering de patronen van oceaancirculatie verandert en de ijzerafzetting vermindert, aldus Falkowski. Hoewel mensen nog steeds gemakkelijk kunnen ademhalen – verminderde ijzerniveaus in de wereldzeeën zullen er niet toe leiden dat mensen stikken – kan de trend aanzienlijke effecten hebben op het marine leven.

“Fytoplankton zijn de primaire voedselbron voor krill, de microscopische garnalen die de belangrijkste voedselbron zijn in de Zuidelijke Oceaan voor vrijwel elk dier, inclusief pinguïns, zeehonden, walrussen en walvissen,” zegt Falkowski. “Wanneer de ijzerniveaus dalen en de hoeveelheid voedsel die beschikbaar is voor deze hogere dieren lager is, zullen er minder van deze majestueuze wezens zijn.”

Onderzoekers vermoeden al lange tijd dat ijzer cruciaal is voor fotosynthese, maar er is weinig bekend over hoe het proces in de natuur wordt beïnvloed. De meeste eerdere studies zijn alleen in het laboratorium uitgevoerd.

Om deze leemte aan te pakken, heeft Heshani Pupulewatte, een afgestudeerde onderzoeksassistent aan de afdeling Chemie en Chemische Biologie die onderzoek doet in het laboratorium van Falkowski en hoofdauteur van de studie, 37 dagen in 2023 en 2024 doorgebracht aan boord van een Brits onderzoeksschip dat door de Zuid-Atlantische Oceaan en de Zuidelijke Oceaan voer, met een transect van de Zuid-Afrikaanse kust naar de marginale ijszone van de Weddell Gyre en terug.

Met behulp van op maat gemaakte fluorometers, gebouwd door Max Gorbunov van het Falkowski Lab op Cook Campus in New Brunswick, testte Pupulewatte monsters op fluorescentie – een maat voor de energie die opnieuw wordt vrijgegeven door fytoplankton wanneer het fotosyntheseproces wordt afgebroken. Vervolgens voegde ze voedingsstoffen toe aan monsters die langs de route waren verzameld om te bepalen of dit het fotosyntheseproces kon herstarten.

“We wilden weten wat er echt gebeurt met het energieoverdrachtproces op moleculair niveau van fytoplankton in natuurlijke omgevingen,” zei ze. Wat ze ontdekte, was dat ijzerbeperkingen ertoe leiden dat tot 25% van de lichtoogstende eiwitten “ontkoppeld” raken van de energieproducerende centra, wat effectief de energieconversie vermindert. Wanneer ijzer opnieuw wordt aangeleverd, sluiten fytoplankton hun interne lichtoogstsystemen weer aan, waardoor hun efficiëntie en groeipotentieel verbeteren.

“We hebben de resultaten van ijzerstress op fytoplankton in de oceaan aangetoond, zonder zelfs monsters terug naar het laboratorium te brengen voor moleculaire extracties met behulp van fluorescentiemetingen die op zee zijn uitgevoerd,” zei ze. “Door dit te doen, konden we aantonen dat er veel meer energie wordt verspild in fluorescentie wanneer ijzer beperkt is.”

Het begrijpen van hoe ijzer de fotosynthese op moleculair niveau beïnvloedt, kan wetenschappers helpen de toekomstige oceaanproductiviteit en wereldwijde koolstofcycli te voorspellen, voegde ze eraan toe.