Stikstof stimuleert algengroei, ontdekkingen van onderzoekers

Cyanobacteriënbloei op het Champlainmeer. Credit: Joshua Brown

Stikstof is een beetje een raadsel. In zijn gasvorm is het het meest voorkomende element in de atmosfeer, maar weinig organismen kunnen het gemakkelijk gebruiken. Hoewel alle levende organismen stikstof bevatten, blijkt uit een nieuwe studie van de Universiteit van Vermont dat zelfs kleine hoeveelheden stikstof cyanobacteriënbloei kunnen aansteken en ecosystemen van meren kunnen verstoren.

“Als we aan meren denken, en aan productie, en wat cyanobacteriën aandrijft, is er een historische kijk dat het een fosforprobleem is,” zegt Katelynn Warner, voormalig doctoraatsstudent aan de Rubenstein School of Environment and Natural Resources van UVM en hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Limnology and Oceanography. “Maar ik denk dat ons werk laat zien dat het meer is dan dat.”

Historisch gezien is overtollig fosfor de boosdoener achter veel cyanobacteriënbloei in het Champlainmeer, wat af en toe tot strandsluitingen heeft geleid en monitoringinspanningen heeft aangewakkerd. Dit nieuwe onderzoek van UVM benadrukt het belang van het begrijpen van de rol van stikstof bij het veroorzaken van toxische algenbloei.

Cyanobacteriën zijn een van de oudste levensvormen op aarde. Het zijn fotosynthetische organismen die behoren in aquatische omgevingen. Het probleem ontstaat wanneer de populaties cyanobacteriën, vaak blauwgroene algen genoemd, uit balans raken. Dit kan gebeuren wanneer afvloeiing met fosfor en stikstof een meer binnendringt.

Cyanobacteriën gebruiken deze voedingsstoffen om exponentieel te reproduceren, wat leidt tot bloei die zonlicht en zuurstof voor vissen en andere levensvormen in het water blokkeert. Ze worden bijzonder gevaarlijk wanneer ze worden veroorzaakt door cyanobacteriënsoorten die toxines produceren die schadelijk zijn voor mensen en wildlife.

“Bloei is niet alomtegenwoordig, ze zijn niet elke keer hetzelfde,” zegt Warner. “Er zijn verschillende factoren die leiden tot toxineproductie en bloeiontwikkeling.”

Tijdens haar doctoraatsstudies aan UVM onderzocht Warner de omgevingsfactoren die cyanobacteriënbloei aansteken en de ernst van toxineproductie in het Champlainmeer. In 2021 verzamelde ze, samen met een team van UVM-onderzoekers, wekelijks watermonsters in St. Albans Bay en Missisquoi Bay om te testen op fytoplankton, cyanotoxines en nutriëntbelastingen. Ze gebruikten hoogfrequente boeien uitgerust met sensoren om volledige waterkolomprofielen elke 15 minuten te registreren, inclusief zuurstof- en pH-niveaus, watertemperatuur, troebelheid en meteorologische metingen zoals windsnelheid en luchttemperatuur.

De gegevens stellen wetenschappers in staat om op zeer korte tijdschaal te begrijpen wat er in het bekken gebeurt en om activiteit tijdens cyanobacteriënbloei te meten die wekelijkse monitoring mogelijk mist, legt Warner uit.

Omdat St. Albans Bay en Missisquoi Bay ondiep zijn en verbonden zijn met twee verschillende stroomgebieden, konden de wetenschappers analyseren hoe verschillende meer dynamiek de bloeiontwikkeling beïnvloedt. De studie richtte zich op twee veelvoorkomende cyanobacteriënsoorten die in het meer worden gevonden—Microcystis en Dolichospermum—en screenen monsters op verschillende cyanotoxines. Hoewel ze lage concentraties toxines tijdens bloei vonden, waren er verschillen in biomassa die waarschijnlijk werden getriggerd door kleine hoeveelheden stikstof die het systeem binnenkwamen.

“We zagen dat stikstof in Missisquoi Bay in sommige gevallen dubbel was van wat in St. Albans Bay was,” zegt Warner. “En dat zou kunnen leiden tot dit sterke verschil in bloeibiomassa, mogelijk omdat ze die extra voedingsstoffen hebben om te groeien.”

Zoals alle levensvormen, concurreren cyanobacteriën over beperkte hulpbronnen. Ze specialiseren zich in het fixeren van waardevolle voedingsstoffen zoals fosfor en stikstof uit de lucht en het water. Sommige hebben zich aangepast om overtollige voedingsstoffen, waaronder stikstof uit de atmosfeer, op te slaan. Maar dit is een kostbare onderneming.

“Het kost veel energie om dit te doen, maar het kan hen positioneren om een concurrentievoordeel te hebben om te groeien [wanneer gunstige omstandigheden zich voordoen],” legt Warner uit.

Meer dan een fosforprobleem

Stel je een sneeuwbol voor. Wanneer ongestoord, gaat de sneeuw naar de bodem totdat het water binnenin beweegt en de deeltjes door het water mengt. Hetzelfde concept geldt voor sediment in meren. Pas wanneer de omstandigheden veranderen—of het nu door temperatuur, windsnelheid of een stortbui is—komt het sediment en de voedingsstoffen die het vasthoudt in beweging door de waterkolom en voedt het de cyanobacteriënbloei. Vaak is de boosdoener achter deze bloei overtollig fosfor.

“We besteden niet zoveel aandacht aan stikstof als we zouden moeten doen in waterbeheer en meer ecologie, en het is heel belangrijk voor het bepalen van niet altijd de initiatie van de bloei, maar ook de samenstelling van de bloei, de toxiciteit van de bloei, en hoe lang het zal duren,” zegt Ana “Mindy” Morales, een associate professor aan de Rubenstein School of Environment and Natural Resources van UVM en co-auteur van de studie.

Wetenschappers kunnen gemakkelijker voorspellen hoe fosfor de meer systemen zal beïnvloeden, maar minder met stikstof, zegt ze. “We moeten echt begrijpen hoe belangrijk stikstof is en niet alleen in de basale wetenschap, maar het moet worden vertaald naar beheer en actie—en dat is moeilijk.”

Dit is deels omdat stikstof zo vluchtig is. Het komt van nature in verschillende vormen voor en wordt synthetisch vervaardigd voor industriële en agrarische doeleinden. Interessant genoeg zijn de stikstofniveaus in de noordoostelijke arm van het Champlainmeer in de loop der jaren gedaald. Sinds 2009 zijn de stikstofniveaus echter toegenomen, met de sterkste stijgingen in de recente jaren—waarschijnlijk het gevolg van overstromingen die meer stikstof in systemen spoelen, zegt Warner.

Maar zoals hun studie aantoont, is er niet veel stikstof nodig om een meer te verstoren.

“Als er een beetje stikstof binnenkomt met deze grote stormgebeurtenissen, kan dat aanzienlijke gevolgen hebben voor de ecologie van het meer,” zegt Morales. “We moeten kritischer nadenken over hoe we stikstof beheren—omdat we dat momenteel niet echt doen.”

In diepere delen van het Champlainmeer stratificeert het water in lagen die twee keer per jaar mengen, in het voorjaar en de herfst. Ondiepe wateren, zoals Missisquoi Bay, zijn gevoeliger voor mengen door windactiviteit. Deze menging kan bloei voeden of deze afbreken, afhankelijk van de omstandigheden in het meer en het tijdstip van de vorming van de cyanobacteriënbloei. Hittegolven of extreme regenval—gebeurtenissen die naar verwachting zullen toenemen in Vermont door klimaatverandering—kunnen ook bloei verergeren.

“Cyanobacteriën houden van stabiele, kalme omstandigheden,” legt Morales uit. “Maar als je deze herhaalde pulsen en menggebeurtenissen hebt, kan het hen in een exponentiële bloeifase houden waar dingen gewoon blijven circuleren en hen meer voedingsstoffen geven en stabiliseren.”

Volgende stappen

Ondanks de hoge niveaus van biomassa die tijdens cyanobacteriënbloei worden geproduceerd, vonden UVM-wetenschappers lage concentraties toxines. Hoewel dit goed nieuws is, betekent het niet dat het water noodzakelijkerwijs veilig is om in te zwemmen.

“Simpelweg omdat we geen toxines hebben gevonden in de screen-monsters, betekent niet dat deze bloei niet toxisch en echt gevaarlijk is,” waarschuwt Morales.

Warner is van plan om terug te keren naar UVM voor postdoctoraal onderzoek om enkele onopgeloste vragen te beantwoorden. Ze zal zowel hoogfrequente als tweewekelijks monstername van vier locaties langs het Champlainmeer gebruiken om beter te begrijpen hoe stikstof de cyanobacteriënproductie en toxiciteit beïnvloedt. Ze is van plan om te bepalen of de dominante bloeivormers in het Champlainmeer zelfs in staat zijn om cyanotoxines te produceren.

“Je kunt stammen van die soorten hebben die in staat zijn om toxines te produceren, en andere die dat niet zijn, maar je kunt het verschil niet zien alleen door naar hen te kijken,” zegt Warner. “Je kunt twee kolonies van dezelfde soort hebben die morfologisch identiek lijken, … [maar] je moet in het DNA kijken en die genen targeten om te zien of ze die in hun genoom hebben.”

Warner zal genetische tests gebruiken om te identificeren welke cyanobacteriënsoorten aanwezig zijn, welke genen ze hebben en welke worden uitgedrukt onder verschillende omgevingsomstandigheden. Ze zal ook labexperimenten uitvoeren om te leren wat er gebeurt bij veranderingen in temperatuur en nutriëntbelastingen. Sommige cyanobacteriën kunnen uitpopulaties vallen terwijl anderen gedijen. Beschouw haar werk in Missisquoi Bay: Toxines werden niet gedetecteerd in de initiële bloei; maar zodra de grote bloei instortte, werden toxines gevonden in de secundaire bloei.

“Is het een andere soort die ook in deze bloei is met hen?” vraagt Warner zich af. “Zijn er andere voedingsstoffen of andere factoren die die toxineproductie beperken?”

En tot slot, hoe kunnen we deze schadelijke bloei beheren?