Volgens Jack Middelburg, wetenschapper aan het Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) in Yerseke, is het meest schadelijke aan zeebodem-vervuiling wellicht het gebrek aan kennis over de invloed hiervan op de geochemie en het bodemleven. Onderzoek naar koolstofcycli op de zeebodem, kan toekomstige schade beperken. Middelburg besloot het grensvlak van de biogeochemie en de ecologie te verkennen, om de hiaten in kennis op te vullen.

Organische koolstof speelt een belangrijke rol in kustsedimenten. In de vorm van dood plantaardig en dierlijk materiaal dwarrelt het naar de zeebodem, waar het dient als voedselbron voor benthische organismen. Deze afvaleters in de bovenste laag van het sediment variëren in grootte van enkele micrometers tot groter dan één millimeter (respectievelijk micro- en macrofauna).

Bacteriën, algen en wormen, maar ook tweekleppige schelpdieren maken deel uit van de sedimentaire voedselketen. Ze beïnvloeden de chemische verandering van koolstofverbindingen, die – na mineralisatie in de vorm van anorganische verbindingen – weer terechtkomen in het zeewater. Middelburg: ‘Dit sedimentatieproces representeert de overgang tussen bioen geosfeer. Waar de grensvlakken elkaar raken ontstaan hiaten in de modellen waarmee geochemici en ecologen sedimentaire processen verklaren.’ De schaal waarop onderzoekers uit beide disciplines opereren, is hiervoor bepalend.

Levenloos

Geochemici bestuderen voornamelijk de levenloze en dode wereld en de processen die op microschaal plaatsvinden. Vanuit dit perspectief bestaan koolstofstromen grofweg uit de omzetting van organische koolstof naar de opgeloste anorganische vorm, waarna het uit de cyclus verdwijnt als CO₂ of bodemneerslag (respiratie). Dit proces voltrekt zich over een tijdsbestek van vele jaren. Metingen aan de uitwisseling van materiaal tussen zeewater en sediment en aan de chemische verandering van organische afvalstoffen, vormen de basis van wiskundige modellen die sedimentaire kringlopen beschrijven.

‘De biologie is in dit wereldbeeld een soort black box’, legt Middelburg uit. ‘Micro-organismen zoals bacteriën unctioneren als katalysators. Assimilatie van koolstof door hogere organismen bijvoorbeeld, interesseert geochemici geen bal. Dat kan je ze ook niet kwalijk nemen: als je lang genoeg wacht verandert koolstof altijd in CO₂, of verdwijnt het in het sediment.’

Die assimilatie, groei en voortplanting van organismen, is juist de focus van de ecologische studies naar koolstofstromen. Traditioneel houdt deze tak van de biologie zich bezig met de levende wereld, op de schaal van macro-organismen en gemeten binnen de tijdsduur van levenscycli. Benthisch ecologen beschrijven de koolstofcyclus aan de hand van mathematische modellen die bestaan uit elementen als diversiteit, dichtheid, groei en sterfte van sedimentorganismen. Middelburg: ‘Respiratie en fysica vinden ecologen best leuk, maar zijn voor beschrijving van koolstofcycli in de voedselketens minder belangrijk.’

Het verwaarlozen van de verdwijning van koolstof uit de cyclus door de ecologie en die van assimilatie door de geochemie, leidt tot inconsistentie. ‘Bacteriën kun je nog best inpassen in geochemische modellen,’ licht Middelburg toe. ‘Maar wat doe je met een worm van tien centimeter die je micromilieu omwoelt? Omgekeerd zie je chemische gradiënten in het micromilieu niet terug in de populatiedynamische wiskunde, terwijl die wel invloed uitoefenen op de organismen.’ De NIOO-onderzoeker nam gereedschappen uit beide disciplines, om het braakliggende terrein mathematisch vol te bouwen. Middelburg: ‘Ik ga voor de total interface. De rol van de hogere organismen in de sedimentaire biogeochemie wil ik twee kanten op verhelderen.’

Wormen

Voor dit doel zijn zojuist twee onderzoekslijnen van start gegaan. In de eerste wordt de invloed van de omwoelsnelheid, door sedimentwormen als Nereis diversicolor en Arenicola marina, op de populaties bodemorganismen bepaald. Mathematische modellen uit de fysica beschrijven hierin fysiologische processen, zoals de waterpompcapaciteit van het beest. Middelburg: ‘Zo komen we te weten wat voor effect gangvorming heeft op waterstroming en zuurstofdistributie en kunnen we voorspellen welke organismen in dergelijk sediment voorkomen.’

De tweede lijn van onderzoek bestaat uit het volgen van koolstof door de voedselketen met behulp van stabiele isotopen. Middelburg wil weten of algen uit de waterkolom of bacteriën in het sediment de voedselbron vormen voor de verschillende bodemorganismen. In het lab opgekweekte, 13C-gelabelde algen zijn hiervoor op de zeebodem aan het sediment toegevoegd. Eenderde van de koolstof blijkt in grote protozoa terecht te komen. ‘Gaat 13C-koolstof via bacteriën of direct naar de grote organismen?’, vraagt Middelburg zich nu af. ‘Dat antwoord is van belang omdat het iets zegt over de respiratie en omzetting van koolstof in de tussenliggende stappen.’

De NIOO-onderzoeker ontving een NWO-Pionierssubsidie van 880.000 euro, vanwege het interdisciplinaire karakter van het onderwerp. ‘Het is best lastig om je door beide wetenschappelijke contexten te begeven,’ geeft Middelburg toe. ‘Misvattingen zie je wederzijds. In de fysica en de chemie betekent een species bijvoorbeeld een molecuultype, zoals H₂O. Maar al met al valt het mee; het heeft ook wel zijn charme.’