Verandering in oceanische nutriëntverhoudingen bedreigt het traditionele Redfield Ratio-model

Een nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature Geoscience heeft onthuld dat de chemische samenstelling van de wereldzeeën een transformatie ondergaat, waarbij belangrijke voedingsstofverhoudingen die essentieel zijn voor het zeeleven, zich de afgelopen decennia hebben verwijderd van de lang geaccepteerde Redfield-verhouding.

Met behulp van de grootste wereldwijde dataset van oceanische stoichiometrie tot nu toe—met meer dan 56.000 deeltjesorganische monsters en bijna 389.000 oplosbare voedingsstofmetingen verzameld van het oppervlak tot 1.000 meter diep tussen 1971 en 2020—vonden onderzoekers systematische afwijkingen in de molaire verhoudingen van koolstof (C), stikstof (N) en fosfor (P), drie elementen die essentieel zijn voor mariene ecosystemen.

Voor het eerst voorgesteld in het midden van de 20e eeuw, stelt de Redfield-verhouding een vaste balans voor van 106C:16N:1P in mariene organische stof, een hoeksteen voor het begrijpen van oceaanvoedingscycli, planktonproductiviteit en koolstofstromen. Maar de nieuwe studie, geleid door onderzoekers van het Instituut voor Aardeomgeving van de Chinese Academie van Wetenschappen, samen met wetenschappers van instellingen zoals de Central China Normal University, het Spaanse Nationaal Onderzoeksraad, Yale, Princeton en de Universiteit van Zuid-Californië, toont aan dat deze balans aan het verschuiven is.

Gedurende de afgelopen 50 jaar zijn zowel de organische als de opgeloste C:N:P-verhoudingen gestaag verschoven, met duidelijke ruimtelijke en temporele patronen, onthult de studie. Wereldwijd zijn de C:P- en N:P-verhoudingen van fytoplankton gestegen—wat wijst op een toenemende fosforbeperking in mariene ecosystemen—terwijl de oppervlaktewateren een toenemende koolstofverrijking vertonen, wat zich uit in hogere C:N- en C:P-verhoudingen.

Opmerkelijk is dat de studie een kritieke keerpunt rond 2007 heeft geïdentificeerd: Na dat jaar begonnen de eerder stijgende C:N- en N:P-verhoudingen in fytoplankton geleidelijk af te nemen. De onderzoekers koppelen deze verschuiving aan een toename van door de mens veroorzaakte fosforinvoer—door landbouw, afvalwater en industriële lozingen—die de voedingsdynamiek in sommige regio’s verandert.

Het team ontdekte ook duidelijke dieptelgerelateerde patronen. Naarmate de oceaDiepte toeneemt, dalen de opgeloste C:N- en C:P-verhoudingen, terwijl de N:P-verhoudingen stijgen. Dit is waarschijnlijk te wijten aan het voorkeurverlies van koolstof als organische stof zinkt en afbreekt, terwijl stikstof en fosfor in opgeloste anorganische vormen blijven. Veranderingen in microbiële gemeenschappen—van oppervlaktefytoplankton naar diepere heterotrofe bacteriën—spelen ook een rol.

Ondanks bredere verschuivingen is de C:N-verhouding van fytoplankton opmerkelijk stabiel gebleven over 50 jaar. De onderzoekers schrijven dit toe aan “stoichiometrische homeostase,” een biologisch mechanisme waarbij plankton de opname van voedingsstoffen en de celcompositie reguleert om zich aan te passen aan omgevingsveranderingen. Deze stabiliteit benadrukt de aanpasbaarheid van mariene organismen, zelfs als verschuivingen worden aangedreven door zowel fysiologische reacties als gemeenschapsstructurering.

De bevindingen dagen de lang aangehouden veronderstelling van vaste oceaan C:N:P-verhoudingen uit. De onderzoekers betogen dat modellen van het aardesysteem en het klimaat dynamische, variabele stoichiometrische structuren moeten aannemen in plaats van statische verhoudingen—en waarschuwen dat het negeren van dergelijke verschuivingen de schattingen van koolstofopname door de oceaan, voedingsbeperkingen en klimaatfeedbacks zou kunnen vertekenen.