Dead fish on the shore. Shutterstock

Natural dead zone

Van Kemenade and colleagues looked at drill cores that were taken from the Pacific Ocean floor off the coast of California as early as 1997. "There is a very interesting, natural 'dead zone' there, that is relatively low in oxygen due to specific ocean currents from the poles and from the Equator," Van Kemenade says. "By looking at how that lack of oxygen over the past 2.5 million years has correlated with warmer and colder periods, we wanted to learn how that lack of oxygen might continue to evolve in the future under the influence of changing climate."

 

Warmer or nutrient richer

Oxygen depletion can occur as water gets warmer. This is because warmer water can hold less dissolved gases. Because of the current warming of the oceans, they already contain 2 percent less oxygen than they did half a century ago. But lack of oxygen can also be caused by extra supply of nutrients, Van Kemenade explains. "Extra nitrogen causes extra growth of algae. Initially all those little plants in the upper layer of the water produce oxygen, but when they die and are 'eaten' by bacteria at the bottom of the ocean, the scale tips and more oxygen is consumed than produced."

 

Fossil molecules

For her reconstruction of oxygen levels, Van Kemenade used a very specific molecule from the drill core. "A distinct group of bacteria can break down nitrogen compounds under oxygen-free conditions. These so-called anammox bacteria produce very special molecules in the process, ladderanes. These should protect the cell from the extremely reactive metabolites in that chemical process. An additional advantage for us as researchers is that we can find those characteristic ladderanes literally hundreds of thousands of years later, as traces of these bacterial processes under oxygen-free conditions.”

 

Mainly nutrients

Whereas Van Kemenade had expected to see the conditions with low oxygen in the ‘history book’ of the ocean floor going up and down with warmer and colder periods in the past, she saw that ladderanes were quite common during both the ice ages and interglacials. "So, for this particular spot, we have to conclude that oxygen depletion was related not only to the fluctuations in temperature, but more importantly to the amount of nutrients in the water," Van Kemenade said. 

 

First experience

This study was one of the first to use information from ladderans on this scale. "We should therefore not immediately translate the results to all seas where oxygen-free conditions can occur," Van Kemenade warns. "At the same time, it does serve as a warning that extra nutrients in the water can cause major problems for ocean biodiversity. Oxygen-less conditions can have major consequences for the ecosystem, but also for fisheries, for example."

Extra voedingsstoffen intensiveren dode zones in oceanen

Wanneer er steeds meer voedingsstoffen van het land en uit de lucht in de oceanen terechtkomen, zal dit de omvang en de intensiteit van ‘dode zones’ in de wereldzeeën doen toenemen. Dat is de waarschuwing die promovenda Zoë van Kemenade, organisch geochemicus aan het NIOZ, haalt uit haar analyse van boorkernen uit de oceaanbodem voor de kust van Californië. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Biogeosciences.

 

Natuurlijke dode zone

Van Kemenade en collega’s keken naar boorkernen die al in 1997 uit de bodem van de Stille Oceaan werden gehaald, voor de kust van Californië. “Daar ligt een heel interessante, natuurlijke ‘dode zone’, die door specifieke oceaanstromen van de polen en van de Evenaar relatief zuurstofloos is”, vertelt Van Kemenade. “Door te kijken hoe die zuurstofloosheid in de afgelopen 2,5 miljoen jaar samenhing met warmere en koudere periodes, wilden we leren hoe die zuurstofloosheid zich ook in de toekomst kan ontwikkelen onder invloed van het veranderende klimaat.”

 

Warmer of voedselrijker

Zuurstofloosheid kan ontstaan doordat het water warmer wordt. Warmer water kan immers minder opgeloste gassen vasthouden. Door de huidige opwarming van de oceanen bevatten die nu al 2 procent minder zuurstof dan een halve eeuw geleden. Maar zuurstofloosheid kan ook ontstaan door toevoer van voedingsstoffen, legt Van Kemenade uit. “Extra stikstof zorgt voor extra groei van algen. In eerste instantie produceren al die plantjes in de bovenste laag van het water zuurstof, maar wanneer ze doodgaan en op de bodem van de oceaan door bacteriën worden ‘opgegeten’, wordt er per saldo meer zuurstof verbruikt dan geproduceerd.”

 

Fossiele moleculen

Voor haar reconstructie van de zuurstofgehalten maakte Van Kemenade gebruik van een heel specifiek molecule uit de boorkern. “Een aparte groep bacteriën kan onder zuurstofloze condities stikstofverbindingen afbreken. Die zogeheten anammox-bacteriën produceren daarbij heel bijzondere moleculen, ladderanen. Die moeten de cel beschermen tegen de extreem reactieve tussenproducten van dat chemische proces. Een bijkomend voordeel voor ons als onderzoekers is dat we die karakteristieke ladderanen letterlijk honderdduizenden jaren later nog kunnen terugvinden, als sporen van deze bacteriële processen onder zuurstofloze condities.

 

Vooral voedingsstoffen

Waar Van Kemenade had verwacht dat ze de zuurstofloze condities in het geschiedenisboek van de oceaanbodem misschien op en neer zou zien gaan met warmere en koudere periodes uit het verleden, zag ze dat de ladderanen zowel in de ijstijden als in de interglacialen vrij veel voorkwamen. “Voor deze specifieke plek moeten we dus concluderen dat zuurstofloosheid niet alleen samenhing met de schommelingen in de temperatuur, maar vooral ook met de hoeveelheid voedingsstoffen in het water”, aldus Van Kemenade.  

 

Eerste ervaring

Dit onderzoek was één van de eerste die op deze schaal gebruik maakte van de informatie uit ladderanen. “We mogen de resultaten dus ook zeker niet meteen vertalen naar alle zeeën waar zuurstofloze condities kunnen ontstaan”, waarschuwt Van Kemenade. “Tegelijk is het wel een waarschuwing dat extra voedingsstoffen in het water grote problemen kunnen veroorzaken voor de biodiversiteit in de oceanen. Zuurstofloze condities kunnen grote gevolgen hebben voor het ecosysteem, maar bijvoorbeeld ook voor de visserij.”