Nitrogen processes and the ‘breathless seas

Short summary:

The oceans play a crucial role in the health of our planet, from regulating biogeochemical cycles to influencing the climate. However, due to climate change and ocean fertilization – the runoff of nutrients such as nitrogen from intensive agriculture – increasingly large parts of the oceans are becoming oxygen-depleted. This leads to the formation of so-called "oxygen minimum zones." These 'breathless seas' disrupt the ocean's nitrogen cycle, which is essential for regulating marine life. Disruptions in this cycle can also have significant impacts on the ocean's chemical composition, which in turn affects oxygen levels and the climate. 

In oxygen-deprived conditions, nitrogen compounds are removed by processes such as anammox: anaerobic ammonium oxidation, and denitrification. At the same time, nitrogen fixation converts nitrogen gas into nutrients that are critical for life. How these processes interact in a changing climate remains poorly understood. The past, however, provides valuable insights: previous warming periods of the Earth can serve as analogues for the current situation. 

This research examined the nitrogen cycle in both modern oceans and during Quaternary climate change, across various seas worldwide. By using fossil molecules (lipid biomarkers) and other chemical analyses, new insights were gained into the interplay between nitrogen processes and oxygen depletion in the oceans. A striking discovery is the role of anammox bacteria in breathless seas: these bacteria remove nitrogen and may help slow the further decline of oxygen in the oceans. 

This research not only highlights how regional differences affect the nitrogen cycle but also provides new tools to trace biogeochemical processes. This knowledge helps us better understand how oceans respond to climate change – and what this means for the future of our planet. 

Stikstofprocessen en de ‘ademloze zeeën’ 

Naarmate er meer en meer voedingsstoffen van land en lucht in de wereldzeeën terechtkomen, worden dode zones zonder zuurstof in het water groter, en neemt hun intensiteit toe. In haar promotieonderzoek werkte Zoë van Kemenade met fossiele moleculen en chemische analyses om te onthullen hoe stikstofprocessen, en in het bijzonder anammox-bacteriën, deze “ademloze zeeën” beïnvloeden en de afname van zuurstof kunnen beperken. Op 24 januari verdedigt ze haar proefschrift aan de Universiteit Utrecht. 

Korte samenvatting:

De oceanen spelen een cruciale rol in de gezondheid van onze planeet, van het reguleren van biogeochemische cycli tot het beïnvloeden van het klimaat. Door klimaatverandering en de bemesting van de zee – het inspoelen van nutriënten zoals stikstof door intensieve landbouw – raken echter steeds grotere delen van de oceanen zuurstofarm. Dit leidt tot de vorming van zogenaamde "zuurstofminimumzones". Deze 'ademloze zeeën' verstoren de stikstofcyclus van de oceaan, die essentieel is voor de regulering van het leven in zee. Verstoringen in deze cyclus kunnen bovendien grote gevolgen hebben voor de chemische samenstelling van de oceaan, wat op zijn beurt weer terugwerkt op zuurstofconcentraties en het klimaat. 

Bij zuurstofgebrek worden stikstofverbindingen afgebroken door processen zoals anammox: anaërobe ammoniumoxidatie, en denitrificatie. Tegelijkertijd zet stikstoffixatie stikstofgas om in voedingsstoffen die cruciaal zijn voor leven. Hoe deze processen elkaar beïnvloeden in een veranderend klimaat, is nog niet volledig begrepen. Het verleden biedt echter waardevolle inzichten: eerdere opwarmingsperiodes van de aarde kunnen dienen als analogieën voor de huidige situatie. 

Dit onderzoek bestudeerde de stikstofcyclus in zowel moderne oceanen als tijdens klimaatschommelingen in het Kwartair, verspreid over verschillende zeeën wereldwijd. Door gebruik te maken van fossiele moleculen (lipide biomarkers) en andere chemische analyses werden nieuwe inzichten verkregen in de wisselwerking tussen stikstofprocessen en zuurstofarmoede in de oceanen. Een opvallende ontdekking is de rol van anammox bacteriën in ademloze zeeën: deze bacteriën verwijderen stikstof en kunnen mogelijk de verdere afname van zuurstof in de oceaan vertragen. 

Dit onderzoek benadrukt niet alleen hoe regionale verschillen de stikstofcyclus beïnvloeden, maar biedt ook nieuwe instrumenten om biogeochemische processen te traceren. Deze kennis helpt ons beter te begrijpen hoe oceanen reageren op klimaatverandering – en wat dat betekent voor de toekomst van onze planeet.