Ocean biogeochemical cycles

 
Het Nederlands onderzoek

IPY-GEOTRACES
IPY Activity: 35 (Nederland lead country)
Prof. dr. ir. H.J.W. (Hein) de Baar
NIOZ
startsubsidie voor Nederlandse coordinatie

Voor een overzicht vanhet IPY onderzoek op het NIOZ, zie: www.nioz.nl/ipy
 

IPY-NL-GEOTRACES: Netherlands Contribution to an International Study of the Biogeochemical.  Cycles of Trace Elements and Isotopes in the Arctic and Southern Oceans (coordinating project)
Prof. dr. ir. H.J.W. (Hein) de Baar
NIOZ
IPY Activity: 35 (Nederland lead country)
abstract
populaire samenvatting: zie onder

NIEUWS: Volg ook het weblog "IJzer gezocht"  bij VPRO's Noorderlicht, waarin een omvangrijk onderzoeksteam van het NIOZ vanaf 23 februari verslag doet van de voorbereidingen inclusief een testcruise in april. In juli start de echte onderzoekscruise in de Noordelijke IJszee.

• Physical and Chemical Speciation of Dissolved Fe in the Polar Oceans
  Projectleider: Dr. L.J.A. (Loes) Gerringa
  Uitvoerder: Drs. C.E. (Charles-Edouard) Thuróczy  (AIO)
  NIOZ
  abstract
  poster
  populaire samenvatting: zie onder
• Dissolved Aluminium and Manganese as Source Tracers for Iron in Polar Oceans
  Projectleider: Prof. dr. ir. H.J.W. (Hein) de Baar
  Uitvoerder: Dhr. R. (Rob) Middag (AIO)
  NIOZ 
  abstract
  poster
  populaire samenvatting: zie onder 

Populair wetenschappelijke samenvattingen

International Polar Year GEOTRACES: An international study of the biogeochemical cycles of Trace Elements and Isotopes in the Arctic and Southern Oceans

Ieder levend organisme van onze unieke levende planeet heeft kleine hoeveelheden nodig van de essentiële spoorelementen ijzer, zink, koper, mangaan, nikkel en kobalt, ongeveer in die volgorde van belangrijkheid. Deze spoorelementen spelen een sleutelrol als co-factor in enzymen. Toen de evolutie van leven begon ruim 3 miljard jaar geleden waren deze elementen redelijk beschikbaar en werden dus naar 'hartelust' ingebouwd in enzymen en elders in de levende cel. Echter door groei van eencellige algen (planten) ontstond vrije zuurstof in de lucht en in de zee, en vervolgens is door oxidatie van ijzer, mangaan etc. inmiddels nog maar zeer weinig van deze spoormetalen beschikbaar in de oceaan. Dus door eigen zuurstof productie hebben de algen hun bron van essentiële spoorelementen grotendeels afgesloten.

Vooral in poolzeeën van Antarctica is een ernstig gebrek aan ijzer en andere spoormetalen voor de groei van algen, de Arctische Oceaan is nog vrijwel onbekend gebied voor gehaltes van essentiële spoormetalen. De biologische productie van algen in de Arctic en Antarctic Oceanen is de basis van de gehele voedselketen tot en met pinguïns, zeehonden, ijsberen en walvissen, immers er is vrijwel geen plantengroei op het grotendeels met ijs bedekte land in poolstreken.

Het metaal zink speelt een sleutelrol, in het enzym carbonic anhydrase voor zowel opname als vrijgeven van CO2. Dit is het meest voorkomende enzym op aarde, zowel in eencellige algen als bijvoorbeeld in onze longen van de mens. Toenemende zink gehaltes in oppervlaktewater door wereldwijde industriële verontreiniging, gaat parallel met toenemend CO2 gehalte door verbranding van fossiele brandstoffen. De combinatie en interactie (via C.anydrase) in oppervlaktewater heeft nog geheel onbekende gevolgen voor algen en hogere biologische soorten in de polaire oceanen. Stabiele isotopen van specifieke chemische elementen geven ons specifieke informatie, bijvoorbeeld de twee stabiele isotopen van het element silicon tonen een verschuiving in hun onderlinge verhouding bij opname door kiezelalgen (diatomeeen), dit zijn algen die 'huisjes' bouwen van silicium, eigenlijk 'glazen' huisjes. De silicon isotoop verhouding in fossiele diatomeeen-huisjes in boorkernen van de zeebodem is een indicator van biologische productie en CO2 fixatie in het geologische verleden, en helpt om bijvoorbeeld de laatste ijstijd met laag CO2 in de lucht te begrijpen. 

Physical and Chemical Speciation of Dissolved Fe in the Polar Oceans

De groei van algen, de basis van de voedselketen, in onze oceanen en bovenal rondom de polen is bepalend voor het wereldklimaat. Deze groei wordt gereguleerd door licht en ijzer, en interacties daartussen. Ondanks deze rol van ijzer weten we vrijwel niets over het mechanisme van opname van ijzer door algen. Aangenomen wordt dat meer dan 99% van het in oplossing aanwezige ijzer gebonden is aan organische verbindingen. Over de aard van deze verbindingen is nog steeds heel weinig bekend, maar de binding met ijzer is zonder uitzondering bijzonder sterk. Aangezien het niet-gebonden ijzer een extreem lage concentratie heeft, moet het gebonden ijzer deels beschikbaar zijn voor algen. De grote vraag is nu hoe dat kan, want de sterkte van de binding is hiermee in tegenspraak. Op theoretisch chemische gronden zijn er recent vraagtekens gezet bij de aanname dat Fe zo sterk gebonden is door organische moleculen en wordt de aanwezigheid van colloïdale anorganische vormen van Fe van belang geacht. Deze colloïdale vorm van ijzer speelt een belangrijke rol in de diepzee omdat deze bepalend is voor de toevoer van ijzer naar het sediment.

In dit project willen wij op een vernieuwende manier opgelost Fe onderzoeken via de snelheden van chemische omzettingen tussen de diverse vormen van Fe, ofwel de meting van kinetische vormings- en dissociatieconstanten. Dit is een grote stap voorwaarts van de huidige evenwicht beschrijving waarin ijzer stabiel verdeeld zou zijn over diverse fracties. Door de kinetische aanpak willen wij reactiviteit het kenmerk voor de beschikbaarheid laten worden. We zullen de kinetische reactiviteit onderzoeken als functie van de grootte van de Fe vormen (colloïden), de oorsprong van de organische verbindingen en de invloed van fotoreductie. De technieken om reactiesnelheden van de verschillende fracties te meten zijn voltammetry, FI-CL en ‘tangential flow filtration’ van colloïden. De chemische reactiviteit zal direct worden vergeleken met de biologische beschikbaarheid, door algen als bio-indicatoren te gebruiken. 
 

Dissolved Aluminium and Manganese as Source Tracers for Iron in Polar Oceans

De tegengestelde hypotheses over ijzer aanvoer ofwel van boven met ingewaaide stofdeeltje van continenten, dan wel levering van onder uit onderliggende sedimenten op de zeebodem, zullen worden getest door verkrijgen van een betrouwbare dataset van opgelost ijzer (Fe), mangaan (Mn) en aluminium (Al) in de polaire oceanen. Accurate metingen van opgelost (< 0.2 micron filtraat) ijzer in zeewater zullen worden gedaan op een serie locaties, per locatie met een resolutie van 48 metingen over de gehele ~5 km diepe waterkolom, langs twee secties op de nulmeridiaan en Drake Passage, alsmede op locaties in de Arctische Oceaan. Hetzelfde grid zal in dit project worden bemonsterd voor accurate metingen van opgelost aluminium als indicator voor ingewaaid en opgelost stof, en opgelost mangaan als indicator voor het oplossen van Fe en Mn uit zuurstofarme sedimenten op de zeebodem.

In samenwerking met UEA, zullen stofdeeltjes uit de lucht worden gepompt en op een filter verzameld, zodat gehaltes van Fe, Mn, Al in dat stof kunnen worden gemeten, en via oplosbaarheidproeven en transport modelering, kan aldus berekend worden hoeveel Fe, Al en Mn met stof in zee waait en oplost. Hoge gehaltes van gereduceerd Fe(II) in oppervlaktewater zijn daarbij een extra indicator van een recente inbreng en oplossen van stof door een regenbui.

In samenwerking met het AWI zullen de natuurlijke radio-isotopen 228Ra and 227Ac worden gemeten als aanvullende, onafhankelijke indicators van ijzer leverantie vanuit respectievelijk de ondiepere bodem rond het Antarctisch continent (228Ra), of de zeer diepe zee bodem (227Ac). Alle verdelingen (Fe, Al, Mn, 228Ra, 227Ac) samen, in combinatie met de relatieve verdeling in zeewater van opgelost Fe tussen fijne colloïdale deeltjes en opgeloste organische Fe-complexen, zullen dienen voor validatie van een massabalans, waarin termen voor zowel beide externe bronnen (boven en onder), voor biologische opname en afbraak, en voor Fe verwijdering door adsorptie aan vallende biogene deeltjes