Strandbewakers: Hoe verborgen microben kustwateren beschermen in een veranderend klimaat

Porewater monsters van een kustgemeenschap in Stinson Beach, Californië, zijn verzameld gedurende een periode van twee weken tijdens de overgang van neap-tide naar springtide, zowel in natte als droge seizoenen. De verschuivingen in de samenstelling van de microbiële gemeenschap, geanalyseerd door V4 16S rRNA gen sequencing, werden in context geplaatst met uitgebreide hydrologische en fysisch-chemische metingen. De verticale diepte-structuur van de gemeenschap bleef consistent over de getijdencycli en seizoenen, maar werd verstoord door een reeks overslaande golven in de winter.

Een verborgen wereld vol leven ligt onder het zand van de stranden. Onderzoek onder leiding van Stanford werpt licht op hoe microbiële gemeenschappen in kustgrondwater reageren op binnenstromend zeewater.

De studie, gepubliceerd in Environmental Microbiology, onthult de diversiteit van microbiële levensvormen die deze kritische ecosystemen bewonen en wat er kan gebeuren als ze worden overspoeld door stijgende zeeën. “Stranden kunnen fungeren als een filter tussen land en zee, waarbij ze grondwater en bijbehorende chemicaliën verwerken voordat ze de oceaan bereiken,” aldus co-eerste auteur Jessica Bullington, een Ph.D. student in de aardwetenschappen aan de Stanford Doerr School of Sustainability. “Het begrijpen van de werking van deze ecosystemen is cruciaal om hun diensten te beschermen in het licht van de stijgende zeespiegel.”

Het onderzoeksteam voerde de intensieve studie uit bij Stinson Beach, ten noorden van San Francisco. Stinson Beach is representatief voor een “high-energy” strand, waar wereldwijd slechts een handvol eerdere studies over het microbiële leven zijn uitgevoerd.

Microbiële bewakers

Microbiële gemeenschappen die in het grondwater onder het strand leven, spelen een cruciale rol in het behoud van de waterkwaliteit aan de kust. Deze microben helpen bij het afbreken van chemicaliën, waaronder overtollige voedingsstoffen zoals stikstof, die afkomstig kunnen zijn van natuurlijke bronnen zoals afbrekend plantaardig materiaal, of menselijke bronnen zoals landbouwafvoer en afvalwater.

Om de dynamiek van dit microbiële filtersysteem beter te begrijpen, ging het onderzoeksteam naar Stinson Beach. Gedurende twee weken, zowel in het natte als droge seizoen, verzamelden ze monsters van de ondergrondse estuaria van het strand, dag en nacht, om de veranderende getijden vast te leggen. Vervolgens analyseerden de onderzoekers het microbiële DNA met behulp van geavanceerde gen-sequencingtechnieken. Deze aanpak—de eerste van zijn soort op zo’n fijne tijdschaal—biedt ongekende inzichten in de samenstelling en stabiliteit van de microbiële gemeenschap.

De onderzoekers ontdekten dat de microbiële gemeenschappen relatief stabiel bleven onder veranderende getijden en seizoenen. Een gebeurtenis van overslaande golven—wanneer zeewater de watervoerende laag binnendrong door krachtige golven—veroorzaakte echter aanzienlijke veranderingen in de microbiële samenstelling. Dergelijke verstoringen worden verwacht frequenter voor te komen door de stijgende zeespiegel en stormvloeden, waardoor het moeilijker wordt voor de microben om hun waterzuiveringswerk te doen.

“Deze microben leven in complexe gemeenschappen, waarvan velen gespecialiseerde rollen vervullen die onder andere het verwerken van voedingsstoffen en het produceren of consumeren van broeikasgassen omvatten,” zei co-hoofdauteur Christopher Francis, professor in aardwetenschappen en oceanografie aan de Stanford Doerr School of Sustainability. “De veerkracht van de microbiële gemeenschap onder typische omstandigheden is bemoedigend, maar verstoringen zoals overslaande golven benadrukken hun kwetsbaarheid voor klimaatverandering,” voegde co-eerste auteur Katie Langenfeld toe, een postdoctoraal onderzoeker in civiele en milieu-engineering aan Stanford tijdens het onderzoek en huidige postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Michigan.

Gevolgen voor kustresistentie

De bevindingen van de studie leggen een kritieke basis voor het begrijpen van de werking van ondergrondse estuaria en hun reactie op milieuwijzigingen. Naarmate de zeespiegels stijgen, zullen strandsanden inland worden gedwongen of eroderen, wat de hydrologie, chemie en microbiële samenstelling van het grondwater verandert.

Het onderzoek voegt een cruciaal stuk toe aan de puzzel van kustresistentie. Door de interactie tussen microbiële dynamiek en fysieke processen zoals golfactiviteit te benadrukken, roept de studie vragen op over de aanstaande veranderingen in kustgrondwater. Beleidsmakers en kustplanners zouden de rol van deze verborgen ecosystemen in overweging moeten nemen bij het ontwerpen van strategieën voor het beheer van de stijgende zeespiegel, volgens de onderzoekers.

“We zijn afhankelijk van deze microbiële gemeenschappen voor essentiële biogeochemische cycli aan de land-zeeverbinding,” zei co-hoofdauteur Alexandria Boehm, de Richard en Rhoda Goldman Professor van Milieu Studies aan de Stanford Doerr School of Sustainability en de Stanford School of Engineering. “Als hun capaciteit afneemt door klimaatimpact, kunnen we cascade-effecten op de waterkwaliteit aan de kust en het zeeleven zien.”