Grondlegger van de evolutieleer en natuurwetenschapper Charles Darwin (1809 – 1882) vermoedde al dat er in het “helderblauwe water” van de oceaan iets nog kleiners moest zijn dan de protozoën die onder de microscoop zichtbaar waren. En hij had gelijk. Tegenwoordig weten we dat “elke liter oceaanwater wemelt van honderden miljoenen micro-organismen”, bevestigt de marien bioloog Rudolf Amann, directeur van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie in Bremen.

Amann en zijn collega’s hebben uitgebreid onderzocht hoe belangrijk deze micro-organismen zijn voor het stofwisselingsproces in de oceanen. Dat heeft verrassende resultaten opgeleverd. Deze metabole cyclus is anders dan eerder aangenomen.

“Hoewel ze zelf slechts micrometer groot zijn, bepalen het aantal en de hoge stofwisselingssnelheid van [micro-organismen] de energiestroom en de omzetting van biomassa in de oceanen”, verklaart Tobias Erb van het Max Planck Instituut voor Aardse Microbiologie in Marburg. Volgens hun eigen verklaringen hebben de wetenschappers een wijze van stofwisseling ontdekt die “een belangrijke rol speelt bij de microbiële afbraak van de algenbiomassa in de oceaan”. Voor toekomstige berekeningen van de kooldioxide-balans van de wereldzeeën is het vooral belangrijk om te weten hoe de exacte processen op moleculair niveau plaatsvinden. Daarnaast moet men ook de wereldwijde verspreiding kennen.

Luister nu naar De IO Show!

Elke week het nieuws van Innovation Origins in je oren!

Wat gebeurt er met de koolstof uit glycolzuur?

Eencellige algen, ook wel fytoplankton genoemd, zetten kooldioxide om in biomassa. Andere micro-organismen verwerken nog in het oppervlaktewater vele duizenden tonnen algenbiomassa, wanneer de algen de koolstof weer uitscheiden of na de algenbloei sterven. Glycolzuur, een direct bijproduct van de fotosynthese, speelt een doorslaggevende rol in dit proces. Bacteriën zetten deze stof namelijk gedeeltelijk weer om in kooldioxide.

De onderzoekers leggen uit dat voor een goed begrip van de wereldwijde gevolgen hiervan en van gevolgen voor de klimaatverandering, het essentieel is om een nauwkeurige kennis te hebben van de bacteriële afbraak van algenbiomassa. Het is daarom noodzakelijk om precies te weten waar en in welke mate deze voedingsstoffennetwerken voorkomen. En natuuurlijk wat er gebeurt met de koolstof van glycolzuur. Dat is in totaal ongeveer een miljard ton per jaar. Dit was tot nu toe niet precies bekend.

Microbieel onderzoek varieerde van het ophelderen van moleculaire principes in het laboratorium tot het aantonen van hun belang in het mariene ecosysteem. © Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie/Gunnar Gerdts

Het raadsel van het vierde enzym

Tijdens verder onderzoek in databases zag hij een cluster van vier genen die de bouwinstructies voor vier enzymen geven. Om een van glycolzuur afgeleide verbinding verder om te zetten, zijn echter drie gecombineerde enzymen voldoende. Schada von Borzyskowski deed daarom een laboratoriumtest met dit vierde enzym om uit te zoeken welke taak het heeft. Hij ontdekte dat het in dit verband het enzym zorgt voor een een tot dan toe onbekende reactie, de zogenaamde imine-reductie. Deze vierde reactie sluit de het metabole proces af naar een cyclus “waardoor de koolstof van glycolzuur kan worden omgezet zonder dat er kooldioxide vrij komt”.

Meer artikelen over vervuiling van de zee leest u hier

De volgende stap was het bewijzen van de aanwezigheid en activiteit van deze genen in mariene habitats en het ecologische belang ervan, legt Tobias Erb uit. In het voorjaar van 2018 voerden de onderzoekers verschillende expedities uit in de buurt van Helgoland om de vorming en verbruik van glycolzuur tijdens de algenbloei te meten. Zij konden aantonen dat de stofwisselingscyclus van de zeeën actief betrokken is bij het metabolisme van glycolzuur.

Deze resultaten werden bevestigd in de bacteriële genoom-sequenties die door de TARA Oceanen-expeditie over een afstand van meer dan 10.000 kilometer op de wereldzeeën werden verzameld. Steeds weer werden de blauwdrukken van de metabole cyclus gevonden. Gemiddeld 20 keer vaker dan bij alle andere bekende afbraakprocessen voor glycolzuur. “De ontdekking van onze collega’s in Marburg zet onze eerdere kennis over wat er gebeurt met glycolzuur op zijn kop”, zegt Rudolf Amann. “Onze gegevens tonen aan dat we de cyclus van miljarden tonnen koolstof in de wereldzeeën opnieuw moeten berekenen.

Tobias Erb benadrukt dat dit werk ons bewust maakt van de wereldwijde dimensies van het metabolisme van micro-organismen en hoeveel er nog ontdekt kan worden.

Titelfoto: Op satellietbeelden lijken de algentapijten met hun lichte strepen op kunstwerken. Alleen al in de Duitse Bocht, die ongeveer 70.000 vierkante kilometer beslaat, produceert de algenbloei in het voorjaar ongeveer tien miljoen ton biomassa. © NASA