Waarom langzamer zinkende micro-organismen slecht zijn voor het klimaat

Biogels vertragen de afzinkingssnelheid van organische deeltjes in de oceaan

Organische deeltjes die zich op de zeebodem ophopen, zorgen ervoor dat CO2 vastgehouden blijft. Echter, natuurlijke gelachtige stoffen vertragen dit proces. Dergelijke microscopische mechanismen spelen een cruciale rol in het verbeteren van klimaatvoorspellingen.

Duikers zijn vertrouwd met mariene sneeuw, kleine deeltjes van dode algen en andere micro-organismen die langzaam naar de oceaanbodem zinken. Jaarlijks wordt er meer dan 50 gigaton koolstof door deze enorme ophoping van organische deeltjes op de zeebodem afgezet. Dit proces is essentieel voor het klimaat, omdat de koolstof die in deze deeltjes is gebonden duizenden jaren op de zeebodem blijft voordat het weer als CO2 in de atmosfeer komt. Daarom is het belangrijk om te begrijpen wat er met deze deeltjes gebeurt tijdens hun afdaling.

Een onderzoeksgroep onder leiding van Roman Stocker onderzoekt dit onderwerp. Het ETH-team werkt op het snijvlak van verschillende disciplines, waaronder microbiologie, natuurkunde, wiskunde, microfluïdica en oceanografie. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, tonen de onderzoekers voor het eerst aan dat natuurlijke biogels de afzinkingssnelheid aanzienlijk verminderen.

De snelheid van de afzinking en CO2-uitstoot

“De snelheid waarmee de deeltjes zinken, bepaalt hoeveel koolstof in de zee wordt vastgehouden,” legt Stocker uit. Dit komt omdat mariene sneeuw dient als voedselbron voor bacteriën terwijl het langzaam naar de oceaanbodem zakt. Al het koolstof dat tijdens dit proces wordt gemetaboliseerd, komt snel terug in de atmosfeer als CO2. Volgens huidige berekeningen bereikt slechts ongeveer 1% van de zinkende biomassa de zeebodem.

Tot voor kort geloofden onderzoekers dat mariene sneeuw met snelheden tussen de 10 en 100 meter per dag zonk. Maar het team van Stocker heeft nu bewijs gevonden dat sommige deeltjes zelfs nog langzamer kunnen zinken. Biogels—transparante, gelatineachtige stoffen die door bacteriën, algen en andere levende organismen worden uitgescheiden—zijn verantwoordelijk voor deze vertraging. Deze gels hebben verschillende functies, van bescherming van organismen tegen roofdieren tot het vangen van voedsel, en drijven vaak in grote hoeveelheden door de oceaan.

Een studie in de Atlantische Oceaan nabij Bermuda vond bijvoorbeeld tot twee miljard biogeldeeltjes per liter zeewater. Het team van Stocker stelde voor dat deze gels verstrikt raken met organische deeltjes, waardoor hun val snelheid vermindert.

Een deeltje dagenlang volgen

Een enkel deeltje kan niet dagenlang in open zee worden gevolgd. Daarom heeft postdoctoraal onderzoeker Uria Alcolombri, nu professor aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, een uniek stuk laboratoriumapparatuur ontwikkeld: een 20 centimeter hoge glazen kolom gevuld met zeewater, met een enkel deeltje dat in het midden zweeft. Een tegenstroom van water balanceert het zinken van het deeltje, waardoor het op dezelfde plek blijft. De snelheid van de tegenstroom komt overeen met de zinksnelheid.

De onderzoekers gebruikten dit om de afdaling van een enkel deeltje gedurende meerdere dagen te simuleren, zowel met biogel als zonder. Geaggregeerde fragmenten van de schelp van diatomeeën dienden als deeltjes. Het team produceerde de biogel zelf met behulp van een mariene bacterie. Zoals voorspeld, vertraagde de gelachtige stof de afdaling van het deeltje. Het vertraagde zelfs nog meer dan verwacht. In aanwezigheid van biogel viel het deeltje bijna 50% langzamer naar de grond.

“We waren verbaasd over de grootte van het effect,” zegt Stocker. Dit betekent dat hoe meer biogel er is, hoe minder koolstof de zeebodem bereikt, omdat bacteriën meer tijd hebben om de koolstof te metabolizeren. Dit vertraag effect komt door de lage dichtheid van biogels. Wanneer ze verstrikt raken met organische deeltjes, fungeert de gel als een drijfmiddel, waardoor hun zinksnelheid wordt verminderd. Het verspreidt zich ook als een parachute en vormt filamentachtige draden, die de weerstand verhogen en de beweging verder vertragen. Het team bevestigde deze dynamiek met een wiskundig model.

“We verwachten dat deze processen zich op vergelijkbare wijze in de oceaan zullen voordoen,” zegt Stocker. Er zal echter aanzienlijke variabiliteit zijn in open zee. Verschillende organismen in verschillende mariene gebieden genereren verschillende hoeveelheden biogel, die ook verschillen in samenstelling. “We proberen dit beter te voorspellen met onze wiskundige modellen.”

Volgens Stocker is het zinvol om dergelijke mechanismen geleidelijk in klimaatvoorspellingsmodellen op te nemen. “Er zijn nog veel meer processen zoals dit die plaatsvinden op een zeer kleine schaal.” Sommige daarvan kunnen zelfs het tegenovergestelde effect hebben, maar er is veel te weinig bekend hierover. “We moeten deze zwarte doos openen en precies uitzoeken wat er op microschaal in de oceaan gebeurt.”