IJzer op zout water; Ferromest versterkt groei van fytoplankton

Fytoplankton staat bekend als 'de thermostaat van de aarde'. Oceanografen proberen zicht te krijgen op zijn mechaniek, op zoek naar een ingang om het klimaat te reguleren.

EIND MEI 1995 voer de 'Melville', een schip van het Scripps Institute of Oceanography in Californië, richting Galápagos eilanden. Vlakbij de evenaar, 1300 kilometer ten westen van de eilanden, bevond zich het proefterrein met een oppervlakte van 72 km. In dit met boeien afgezette gebied strooide de bemanning van de Melville op 29 mei een hoeveelheid ijzersulfaat over het water uit. Op 1 en 5 juni deden ze dat nog een keer. Afgelopen donderdag besteedde het Britse weekblad Nature maar liefst vier artikelen aan de resultaten van dit experiment. Inzet van deze omvangrijke proef: onderzoek naar de rol van ijzer bij de groei van fytoplankton.

Fytoplankton, een verzameling microscopische organismen, staat bekend als 's werelds grootste gebruiker van het broeikasgas koolstofdioxide. Bovendien produceren de organismen dimethylsulfide (DMS), dat in de atmosfeer wordt omgezet in sulfaat. Daar draagt het bij aan de vorming van wolken die op hun beurt het zonlicht weerkaatsen en voor afkoeling op aarde zorgen.

Fytoplankton staat ook wel bekend als 'de thermostaat van de aarde'. De mechaniek van die thermostaat is echter nog niet duidelijk. Ongeveer tien jaar geleden opperde de Amerikaan John Martin dat ijzer een belangrijke beperkende factor is voor de groei van fytoplankton. Dat zou de verklaring zijn voor een niet begrepen fenomeen in de oceanografie: in sommige oceanische streken, zoals de equatoriale Grote Oceaan, beschikt fytoplankton over voldoende voedingsstoffen als nitraat en fosfaat. Toch groeien de microscopische organismen amper. Een tekort aan het micronutriënt ijzer zou hiervoor verantwoordelijk zijn, aldus Martin. Toevoeging van ijzer zou de rem op de groei verwijderen. Eind 1989 verkondigde Martin zelfs dat via 'ijzerbemesting' van de wereldzeeën het klimaat gereguleerd kon worden (hoewel de inmiddels overleden Amerikaan enkele jaren later beweerde dat hij die boude uitspraak als grap bedoelde).

TELEURSTELLEND

De ijzerhypothese werd in 1993 voor het eerst in de open oceaan getest, op dezelfde plek waar de Melville vorig jaar zijn proeven uitvoerde. Bij dit experiment, Iron Exchange Experiment I (IronExI) geheten, werd de totale hoeveelheid ijzersulfaat meteen op de eerste dag van de proef over zee uitgestrooid. De resultaten waren teleurstellend. Het fytoplankton vertoonde weliswaar een geringe groei, maar de CO2-huishouding en de uitstoot van DMS veranderden nauwelijks. “Een ondubbelzinnige verklaring voor dat tegenvallende resultaat hebben we nog steeds niet”, zegt marien bioloog dr. Phil Nightingale van het Plymouth Marine Laboratory in Engeland die in drie van de vier Nature-artikelen genoemd staat. “Misschien is het ijzer te snel naar diepten gezonken waar zich geen fytoplankton meer bevindt. Deze fotosynthetiserende organismen tref je alleen aan in de bovenste 50 tot 100 meter van de waterlaag, waar zonlicht kan doordringen. Een andere mogelijkheid is subductie: het oppervlaktewater werd na drie dagen naar een diepte van zo'n 20 tot 30 meter gedrukt door opwellend water dat over ons proefgebied stroomde.”

In 1995 volgde IronExII. Er werd eenzelfde hoeveelheid ijzersulfaat over zee uitgestrooid, dit keer echter verspreid over een aantal dagen (op dag 0, 3 en 7 van het experiment). Het resultaat blijkt opzienbarend. “Binnen 32 uur ontwikkelde zich een opvallende lens van fysiologisch gestimuleerde cellen, over een gebied van 10 km tot een diepte van 25 meter. Na dag 7 verdiepte de lens zich tot meer dan 40 meter”, schrijft de wetenschappelijke bemanning die afkomstig is uit Californië, Florida, Hawaï, Mexico en Engeland.

PIGMENTEN

Gedurende de eerste vier dagen van het experiment namen de onderzoekers geen duidelijke toename van de nitraatopname waar. Tussen dag 4 en 7 maten ze een veertienvoudige stijging van die opname. Maar op dag 14 was de nitraatconcentratie in het water alweer aan het stijgen, mede vanwege menging met opwellend, nitraatrijk water. Ook de CO2-huishouding vertoonde een drastische verandering. Doordat het oceaanwater in de equatoriale Grote Oceaan bijna anderhalf keer zoveel koolstofdioxide bevat als de atmosfeer, is er ter plekke een constante CO2-stroom naar de atmosfeer. Tijdens de proef daalde die flux met 60 procent. Maar na de laatste ijzertoevoeging keerde de oude situatie weer snel terug. De DMS-concentratie in het water nam tijdens de proef met een factor 3.5 toe. Na dag 7 begon die concentratie weer te dalen.

Het experiment heeft belangrijke inzichten gegeven in de soortensamenstelling van de planktongemeenschap. Een aantal soorten fytoplankton (wereldwijd zijn er in totaal een half miljoen soorten) verdubbelde in aantal. Ook het zoöplankton, de organismen die zich voeden met fytoplankton, vertoonde een verdubbeling. Het aantal diatomeeën, eencellige algen die zich kenmerken door een siliciumschaal die vaak de vorm heeft van een pillendoosje, nam zelfs met een factor 85 toe.

IronExII maakt duidelijk hoe snel organismen op veranderende omstandigheden kunnen reageren. Binnen 25 uur namen de onderzoekers al een toename waar van het foton quantum effect (fqe), een maat voor de fotosynthetische activiteit. Dit is te wijten aan de vliegensvlugge reorganisatie van het cellulaire systeem waarmee een organisme zonlicht opvangt. De moleculaire eenheden die de energierijke fotonen opvangen liggen meestal van elkaar geïsoleerd. De capaciteit om fotonenergie door te geven is in zo'n situatie beperkt. Deze moleculaire units zijn opgebouwd uit pigmenten. De enzymen die betrokken zijn bij de aanmaak van deze pigmenten hebben ijzer nodig voor hun functioneren. Zodra er extra ijzer in het water verschijnt, heeft dat invloed op deze units. Eerst verbetert hun vermogen om fotonenergie door te geven, vervolgens maakt de cel meer fotosynthetische units aan. Dat zagen de onderzoekers tijdens IronExII gebeuren. Buiten het proefgebied bleef de fotosynthetische activiteit van het fytoplankton laag.

Uit de resultaten concluderen de onderzoekers dat het tijd is om de ijzerhypothese te beschouwen als de ijzertheorie. Maar ze zeggen er tegelijkertijd bij dat ijzerverrijking in hun proefgebied slechts een korte-termijneffect had. Voor een lange-termijneffect zou een constante ijzerbemesting nodig zijn. Nightingale beschouwt dat niet als een reële optie. De Nederlandse oceanograaf dr.ir. Hein J.W. de Baar van het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) in Den Burg (Texel) zegt dat die mogelijkheid door de wetenschappelijke wereld al in 1991 is afgezworen, tijdens een congres van The American Society of Limnology and Oceanography. “Beïnvloeding van het klimaat via ijzerbemesting wordt als wetenschappelijk zeer onzeker beschouwd. Als het al werkt mag je er vanwege de korte-termijneffecten nooit meer mee ophouden”, zegt De Baar.

Bovendien is de voedselhuishouding in de oceanen te gevarieerd en te complex om die met één simpele maatregel te reguleren. Tortell et al. schreven twee weken geleden nog in Science dat oceanografen tot nu toe een belangrijke speler over het hoofd hebben gezien: bacterieel plankton. Hun onderzoek in de subarctische Grote Oceaan wijst uit dat zich een geduchte concurrentiestrijd afspeelt tussen bacterieel plankton en fytoplankton om het beschikbare ijzer. De bacteriën zijn verantwoordelijk voor maar liefst 20 tot 45 procent van de ijzeropname.

Onderzoek van De Baar et al. in de Antarctische Oceaan (Nature, 2 februari 1995) heeft uitgewezen dat ook licht een belangrijke beperkende factor kan zijn van fytoplanktongroei. Stormen met windsnelheden van bijna 100 km/uur zorgen ervoor dat waterlagen zich constant met elkaar mengen. De Baar: “Fytoplankton bevindt zich daardoor als het ware op een lopende band. Het is even aan de oppervlakte en verdwijnt dan weer naar de diepte waar de groei geremd wordt wegens een tekort aan licht.” Ook de grazers, het zoöplankton dat zich voedt met fytoplankton, beperken de opname van voedingsstoffen en CO2. Dat maakt het volgens De Baar onmogelijk om greep te krijgen op de 'thermostaat van de aarde'. “De oceaan heeft een sterke zelfregulerende werking. Hoe je daarin moet ingrijpen? Ik zie het niet.”