Microbes don’t descend down with plastic particles into the deep sea

~~ for Dutch scroll down ~~

“The natural microbial community in deep waters is different from that at the ocean surface – almost two different worlds in a liquid space. Also, the amount of microbes per litre of ocean water in the deep sea is orders of magnitude lower than that at the surface,” says Annika Vaksmaa. “A thick rain of “alien” microbes drizzling from above with plastic shuttles could thus disturb the deep sea community.”

Elevator

In the subtropical gyres, the concentration of floating plastic debris items is very high. Consequently, the amount of microbes on floating plastic particles is also very high in these regions. The gyres thus offer an excellent natural laboratory to investigate if sinking plastic particles are an elevator for microbes. Matthias Egger: “We wanted to test if plastic particles, once they are sinking down from the sea surface, also transport microbes vertically downwards towards the ocean’s interior.”

Matthias and Anika sampled plastic in the North Pacific subtropical gyre (also referred to as the Great Pacific Garbage Patch due to the high loads of plastic floating in these offshore waters). They did this by trawling the surface and deeper water layers with a fine meshed net. They analysing the collected particles by extracting DNA from the biofilms which covers the tiny plastic particles. After sequencing the DNA they could identify which microbial communities live on each plastic particle.

“Indeed, we found that plastic functions as an elevator in the water column. But the passengers (the microbes), enter and depart the elevator rather quickly,” says Vaksmaa. “DNA sequencing showed that the microbial communities on floating plastic particles are different from those in deeper water layers.” The researchers concluded that, while sinking, the microbes apparently detach from the plastic and other microbes, from the surrounding water, attach to the free spaces on the plastic. Vaksmaa: “I was surprised how clear the results were that the reach of the ‘vertical plastic shuttle’ already stops at a few meters below the surface.”

Plastic Soup

In addition, the researchers found that a substantial part of the microbes on plastic surfaces were so-called hydrocarbon degraders. As the name implies, these bacteria are known to break down hydrocarbons such as oil and possibly plastics too. “This is not the first time that we find hydrocarbon degraders on plastics,” says Vaksmaa. “Also in my previous study on plastic colonizers in the Mediterranean Sea, I found a lot of these organisms. This raises the question if these hydrocarbon degraders in fact do eat or degrade plastic in the ocean.”

This study does not offer a solution for the global plastic pollution and the changes it has on the  biodiversity in the ocean. This study has been a collaborative project. Vaksmaa: "I am very glad to work with Matthias from The Ocean Cleanup, as such large expeditions to remote locations need facilities and great collaborators. Only together such expeditions can be carried out. I know Matthias since we did our PhDs at different universities. It is important to realize that in science-it is not one woman’s/man’s business, but a team effort.”

What’s next?

This study is part of a larger ERC funded project led by Helge Niemann at NIOZ that aims to unravel which types of microbes life on plastic and in how far ocean plastic serves as a  food source for microbes. ‘We investigate the fate of plastic in the sea and the ocean’s self-cleaning power. I.e. we want to know if and how fast marine microbes can eventually break down plastic debris" says Niemann.

Vaksmaa: “We aim to answer remaining open questions during similar oceanic expeditions, next time in the North Atlantic. Currently we can't rule out if certain single organisms do remain on the shuttle and enter deep ocean as quasi aliens. There they invade the native communities living in deeper water layers. We will attempt to check this in future expeditions.”

Microben dalen niet met plastic deeltjes af in de diepzee

Een beetje goed nieuws uit de diepzee. Onderzoek heeft aangetoond dat microben op drijvende plastic deeltjes over lange horizontale afstanden kunnen worden getransporteerd. Nieuw onderzoek, uitgevoerd door Annika Vaksmaa (Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee NIOZ) en Matthias Egger (The Ocean Cleanup) toont aan dat microben niet op plastic deeltjes blijven zitten als deze in de diepzee wegzakken. Microben in de diepere delen van de oceaan en op de zeebodem leven in een kwetsbare harmonie met hun woeste omgeving. Bezoekers uit een andere wereld aan het oppervlak van de oceanen zouden de diepzee-ecosystemen kunnen verstoren en destabiliseren.

"De natuurlijke microbiële samenstelling in diepe wateren verschilt van die aan het oceaanoppervlak - het zijn bijna twee verschillende werelden in een vloeibare ruimte. Ook is de hoeveelheid microben per liter oceaanwater in de diepzee ordes van grootte lager dan die aan het oppervlak," zegt Annika Vaksmaa. "Een dikke regen van vreemde microben die met plastic pendeltjes van bovenaf binnendruppelt, kan de diepzee-gemeenschap dus verstoren."

Lift

In de subtropische gyres is de concentratie van drijvend plastic afval zeer hoog. De hoeveelheid microben op drijvende plastic deeltjes is in deze gebieden dan ook zeer hoog. De gyres vormen dus een uitstekend natuurlijk laboratorium om te onderzoeken of zinkende plastic deeltjes een lift zijn voor microben. Matthias Egger: "We wilden testen of plastic deeltjes, zodra ze vanaf het zeeoppervlak naar beneden zinken, ook microben verticaal naar beneden transporteren, naar het diepste gedeelte van de oceaan."

Matthias en Anika bemonsterden plastic in de subtropische gyre in het noorden van de Stille Oceaan (ook wel de Great Pacific Garbage Patch genoemd vanwege de grote hoeveelheden plastic die in deze afgelegen wateren drijven). Dat deze ze door met een fijnmazig net in de oppervlaktelagen en diepere waterlagen te vissen. Zij analyseerden de verzamelde deeltjes door DNA te halen uit de biologische brij die de kleine plastic deeltjes bedekt. Na sequentiebepaling van het DNA konden zij vaststellen welke microbiële gemeenschappen op elk plastic deeltje leven.

"We hebben inderdaad ontdekt dat plastic als een lift in de waterkolom fungeert. Maar de passagiers (de microben), stappen vrij snel in en uit de lift," zegt Vaksmaa. "DNA-sequencing toonde aan dat de microbiële gemeenschappen op drijvende plastic deeltjes anders zijn dan die in diepere waterlagen." De onderzoekers concludeerden dat de microben tijdens het zinken kennelijk loskomen van het plastic en dat andere microben, afkomstig uit het omringende water, zich vasthechten aan de vrije ruimtes op het plastic. Vaksmaa: "Ik was verbaasd hoe duidelijk de resultaten waren dat het werkingsbereik van de 'verticale plastic pendeldienst' al ophoudt bij een paar meter onder het oppervlak."

Plastic Soup

Bovendien ontdekten de onderzoekers dat een aanzienlijk deel van de microben op plastic oppervlakken zogenaamde koolwaterstofafbrekers waren. Zoals de naam al zegt, staan deze bacteriën erom bekend koolwaterstoffen zoals olie en mogelijk ook kunststoffen af te breken. "Dit is niet de eerste keer dat we koolwaterstofafbrekers op plastic aantreffen," zegt Vaksmaa. "Ook in mijn vorige studie naar de kolonisten van plastic in de Middellandse Zee vond ik veel van deze organismen. Dit roept de vraag op of deze koolwaterstofafbrekers inderdaad plastic eten of afbreken in de oceaan."

Deze studie biedt geen oplossing voor de wereldwijde plasticvervuiling en de veranderingen die deze heeft op de biodiversiteit in de oceaan. Deze studie is een samenwerkingsproject geweest. Vaksmaa: "Ik ben erg blij dat ik met Matthias van The Ocean Cleanup kan samenwerken, want voor dergelijke grote expedities naar afgelegen locaties zijn goede faciliteiten en samenwerkingspartners nodig. Alleen samen kunnen zulke expedities worden uitgevoerd. Ik ken Matthias sinds we aan verschillende universiteiten promoveerden. Het is belangrijk om te beseffen dat het in de wetenschap niet een zaak is van één vrouw/man, maar een teaminspanning om tot ontdekkingen te komen."

Wat is de volgende stap?

Deze studie maakt deel uit van een groter ERC-gefinancierd project onder leiding van Helge Niemann van het NIOZ, met als doel te ontrafelen welke soorten microben leven op plastic en in hoeverre oceaanplastic dient als voedselbron voor microben. We onderzoeken het lot van plastic in de zee en het zelfreinigend vermogen van de oceaan. Dat wil zeggen dat we willen weten of en hoe snel mariene microben uiteindelijk plastic afval kunnen afbreken", zegt Niemann.

Vaksmaa: "We willen de resterende open vragen beantwoorden tijdens soortgelijke oceaanexpedities, de volgende keer in de Noord-Atlantische Oceaan. Op dit moment kunnen we niet uitsluiten dat bepaalde afzonderlijke organismen op de shuttle achterblijven en als quasi aliens de diepe oceaan binnendringen. Daar dringen zij de inheemse gemeenschappen binnen die in diepere waterlagen leven. We zullen proberen dit bij toekomstige expedities na te gaan."