Geleidelijke milieuveranderingen kunnen plotseling leiden tot grote veranderingen in de soortensamenstelling en het functioneren van ecosystemen. Een bekend voorbeeld van zo’n ‘regime shift’ is het ontstaan van vrijwel zuurstofloos water, leidend tot de massale sterfte van vissen en allerlei andere waterdieren. Hoewel de vorming van zuurstofarm water een bekend fenomeen is, worden de onderliggende processen die hierbij een rol spelen, nog niet volledig begrepen.

Zwavelbacteriën nemen het over

Onderzoekers van het Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem Dynamica (IBED) van de UvA ontwikkelden met collega’s van de University of Edinburgh een wiskundig model waarmee kan worden onderzocht hoe de soortensamenstelling van micro-organismen interacteert met de zuurstofconcentratie in het water. Zij ontdekten dat meren in twee verschillende stabiele toestanden kunnen verkeren: zuurstofrijk en zuurstofarm. De overgang van zuurstofrijk naar zuurstofarm water gebeurt in de vorm van een regime shift. ‘Wanneer de aanvoer van zuurstof geleidelijk afneemt, zullen in eerste instantie de zuurstof-producerende algen standhouden waardoor het water nog een tijdje zuurstofrijk blijft’, legt eerste auteur Tim Bush uit. ‘Als het zuurstofgehalte echter onder een kritische drempelwaarde daalt, dan verschuift de soortensamenstelling en nemen sulfaat-reducerende bacteriën en fotosynthetische zwavelbacteriën de dominantie over. Dit zorgt voor een toename in sulfideconcentraties. Hierdoor gaan de zuurstof-producerende algen dood, wordt het nog aanwezige zuurstof afgevangen, en vindt een snelle omslag plaats van zuurstofrijk naar zuurstofarm water.’

Terugkeer niet makkelijk

Door deze verschuivingen in de bacteriële soortensamenstelling is terugkeer naar zuurstofrijke condities niet gemakkelijk. Het systeem vertoont hysterese. De aanwezigheid van anaerobe zwavelbacteriën houdt de hoge sulfideconcentraties in stand, waardoor de zuurstofarme condities worden gestabiliseerd. Als gevolg hiervan is een veel grotere aanvoer van zuurstof nodig dan de originele zuurstofaanvoer om het water weer terug te laten keren naar zuurstofrijke condities.

Massasterfte

Om de voorspellingen van het model te onderzoeken bestudeerden de onderzoekers een klein meer met seizoensgebonden zuurstofschommelingen in de diepere waterlagen. Het meer vertoonde hysterese in de omslag van zuurstofarm water in de zomer naar zuurstofrijk water in de winter, waarbij menging van het diepere zuurstofarme water met het zuurstofrijke water uit de bovenlaag in eerste instantie leidde tot zuurstofgebrek in de hele waterkolom. Ook de veranderingen in de microbiële soortensamenstelling kwamen overeen met de voorspellingen van het model. Vergelijkbare fenomenen zijn waargenomen in kustwateren, waar een overmaat aan voedingsstoffen heeft geleid tot zuurstofgebrek en hoge sulfideconcentraties met massasterfte onder vissen, schelpdieren en vele andere soorten als gevolg.

De onderzoekers wijzen erop dat in het geologische verleden dit soort regime shifts lijken te hebben plaatsgevonden op wereldschaal, waarbij tijdens periodes van opwarming en hoge atmosferische CO₂-concentraties de zuurstofconcentraties in grote delen van de oceanen sterk daalden. De nieuwe resultaten zijn volgens Huisman en Muyzer een duidelijke waarschuwing dat de huidige opwarming van meren en oceanen in combinatie met de toevoer van voedingsstoffen deze ecosystemen steeds makkelijker over een kantelpunt kunnen duwen, naar zuurstofarme condities die niet eenvoudig omkeerbaar zijn.

Financiering

Het onderzoek werd mede ondersteund door het UvA-zwaartepunt Systeembiologie, de European Research Council, de China Scholarschip Council en de US Army Research Office.

Publicatiegegevens

Timothy Bush, Muhe Diao, Rosalind J. Allen, Ruben Sinnige, Gerard Muyzer & Jef Huisman: ‘Oxic-anoxic regime shifts mediated by feedbacks between biogeochemical processes and microbial community dynamics’, in: Nature Communications 8, Nature Communications 8 (Article number: 789), 6 oktober 2017. DOI: 10.1038/s41467-017-00912-x