Deel V van de NIOZ 150 Colloquiumreeks: Raadselachtige processen in de mariene stikstofcyclus

Waarom is stikstof zo belangrijk?

De lezing begon met de nadruk op een fundamenteel ecologisch principe. Waarom is stikstof zo cruciaal? Stikstof is van belang in elk denkbaar ecosysteem: het is de sturende voedingsstof voor ecosysteemproductiviteit. Professor Ward benadrukte het fundamentele belang van stikstof voor biologische productie in uiteenlopende ecosystemen, waaronder de oceaan. Ze gaf een overzicht van de microbiële stikstofkringloop en introduceerde de belangrijkste omzettingen die de beschikbaarheid en het verlies van stikstof in mariene milieus reguleren.

Deel één: anaerobe nitrietoxidatie

Een centraal thema van de lezing was nitrietoxidatie in zuurstofarme oceaangebieden, een proces dat al in de jaren tachtig werd onderzocht. Nitrietoxidatie omvat gewoonlijk de omzetting van nitriet (NO₂) in nitraat (NO₃) en wordt doorgaans toegeschreven aan aerobe micro-organismen die bekendstaan als nitrietoxiderende bacteriën (NOB).

Experimenten in zuurstofminimumzones, onder meer voor de kusten van Namibië en Peru, lieten echter aanzienlijke nitrietoxidatiesnelheden zien onder omstandigheden waarin zuurstof extreem schaars of volledig afwezig was. Deze waarnemingen roepen een prangende vraag op: hoe kan nitrietoxidatie plaatsvinden wanneer zuurstof, van oudsher beschouwd als onmisbaar voor dit proces, niet voorhanden is?

Nieuwe NOB ontdekken via metagenomica

Professor Ward besprak hoe vooruitgang in genomische benaderingen onderzoekers helpt dit raadsel te ontrafelen. Door DNA rechtstreeks uit milieumonsters te sequensen, kunnen wetenschappers Metagenome-Assembled Genomes (MAG's) reconstrueren en micro-organismen identificeren die in een laboratorium moeilijk of niet te kweken zijn. Deze onderzoeken hebben nieuwe groepen NOB aan het licht gebracht die specifiek geassocieerd zijn met de anoxische lagen van mariene zuurstofminimumzones, wat waardevolle inzichten biedt in hun metabolisme en ecologische rol.

Het testen van het zuurstofintrusiemodel

Een mogelijke verklaring was het O₂-intrusiemodel. Volgens deze hypothese zouden kleine of tijdelijke instromingen (intrusies) van zuurstof in verder zuurstofloos water net genoeg zuurstof kunnen leveren voor aerobe NOB om nitrietoxidatie uit te voeren. Professor Ward presenteerde experimenteel werk waarin deze theorie werd getoetst door verschillende NOB-gemeenschappen bloot te stellen aan wisselende zuurstofconcentraties en hun oxidatiesnelheden te meten. De resultaten leverden een belangrijk inzicht op: de respons hing sterk af van de oorspronkelijke microbiële gemeenschap. Zuurstofintrusies konden de waargenomen nitrietoxidatie dus niet eenduidig verklaren.

De mariene stikstofcyclus

Het tweede deel van de lezing verbreedde de blik naar andere raadselachtige processen binnen de mariene stikstofkringloop, waaronder nitraatreductie en microbiële routes die betrokken zijn bij de vorming van lachgas (distikstofmonoxide, N₂O). De lezing illustreerde hoe veldwaarnemingen, experimenteel werk en moderne genomische technieken samenkomen om lang gekoesterde aannames over microbieel metabolisme ter discussie te stellen.

Professor Ward concludeerde dat zelfs basisprocessen zoals nitrietoxidatie zich onverwacht kunnen gedragen in zuurstofarme mariene omgevingen. Deze ontdekkingen roepen nieuwe vragen op over de verantwoordelijke organismen, hun stofwisseling en hun rol in de mondiale stikstofcyclus.

Presentatie II: Jamie Goodman (NIOZ PhD student)

Tijdens het tweede deel van het colloquium gaf PhD student Jamie Goodman een presentatie over de mogelijke bijdrage van Flavobacteria aan de reductie van distikstofmonoxide in permeabel zand. De resultaten wezen erop dat een verhoogde beschikbaarheid van lachgas (N₂O) de groei van flavobacteriën kan stimuleren, al varieerden de reacties tussen verschillende bacteriegroepen. Samenvattend duiden de bevindingen erop dat N₂O-beschikbaarheid de afbraak en mineralisatie van organisch materiaal kan bevorderen; dit leidt mogelijk tot een verhoogde CO₂-productie, terwijl het tegelijkertijd bijdraagt aan de reductie van N₂O.

Presentatie III: Dr. Nicole Bale (NIOZ)

Vervolgens sprak Dr. Nicole Bale over de stikstofcyclus in de Zwarte Zee en de veranderingen daarin gedurende de afgelopen 20.000 jaar. De Zwarte Zee heeft ingrijpende transformaties doorgemaakt: het waterbekken was ooit een zoetwatermeer. Wat is er tijdens deze overgangen met de stikstofcyclus gebeurd? Dankzij de analyse van sedimentlagen en moleculaire fossielen kon dit in kaart worden gebracht. In de afgelopen 20.000 jaar veranderde de Zwarte Zee van een zoetwatermeer in de zoute, gestratificeerde (gelaagde) zee van vandaag, wat de zuurstofhuishouding en de stikstofprocessen fundamenteel heeft gewijzigd. Aan de hand van deze geologische archieven kunnen onderzoekers reconstrueren hoe stikstofprocessen meebewogen met grote milieuveranderingen.

Wat betekent dit voor de toekomst? Samenvattend is het zuurstofgehalte in de oceanen de afgelopen 80 jaar met 2% afgenomen. Naar verwachting zal dit tegen 2100 met nog eens 3 tot 4% dalen als gevolg van klimaatverandering en menselijke activiteiten.

Afsluiting van de jubileumreeks

Na de presentaties van dit vijfde en laatste colloquium was er gelegenheid voor een nagesprek en een drankje. We kijken terug op een inspirerende reeks bijeenkomsten ter ere van het 150-jarig bestaan van het NIOZ. De serie bracht mensen, ideeën en de internationale wetenschappelijke gemeenschap samen. Het stimuleerde dialoog over uiteenlopende onderwerpen: van geavanceerde onderzoeksinfrastructuren tot biodiversiteit, natuurherstel, kantelpunten in het klimaat en microbiële processen. We danken alle gasten en sprekers hartelijk voor hun waardevolle bijdragen en inzichten.

Suggesties voor toekomstige colloquia? Deel je ideeën met de NIOZ-colloquiumcommissie via colloquium@nioz.nl.