IJzerbemesting: oplossing of zinkend schip?
“Give me half a tanker of iron, and I will give you an ice age” John Martin (1988)
Joy Willemse (10411070) Amber Woutersen (10431888)
Dorien Kalmijn (10362061) Mimi den Uijl (10410465)
13 januari 2015 Tutor: Lucas Rutting Aantal woorden: 4462
ABSTRACT
Door de toename van CO2 in de atmosfeer verzuren de oceanen.
IJzerbemesting zou dit tegen kunnen gaan. In dit onderzoek wordt antwoord gegeven op de vraag: Op welke manier kan ijzerbemesting bijdragen aan vermindering van de atmosferische CO2 concentratie? En wat is de reden dat
ijzerbemesting, wat als zo’n veelbelovende oplossing werd aangevoerd in de vorige eeuw, op dit moment niet genoeg potentie heeft om het probleem van oceaanverzuring op te lossen? Uit de literatuur blijkt dat het bemesten van de oceanen met ijzer de fytoplanktongroei stimuleert. Dit fytoplankton verbruikt dan op een natuurlijke manier CO2, en verlaagt daarmee het CO2-niveau in de
oceaan. Echter, in onze interviews werd duidelijk dat ijzerbemesting experimenten slechts een kleine afname in CO2 tonen en het is onduidelijk
waar het toegevoegde ijzer terecht komt en wat voor gevolgen dit heeft voor het ecosysteem.
Inhoudsopgave
Inleiding 3
Theoretisch kader 5
Methoden 6
Hoe kan ijzerfertilisatie worden bewerkstelligd? 7 Hoe verloopt de verspreiding van ijzer in de oceaan?
7
Hoe kan een hogere concentratie ijzer zorgen voor een hogere CO2
opname/opslag? 9
Wat is de invloed van ijzerbemesting op mariene ecosystemen? 10
Wat is de reden dat ijzerbemesting, wat als zo’n veelbelovende oplossing
werd aangevoerd, op dit moment niet genoeg potentie heeft om een oplossing van oceaanverzuring te worden genoemd?
11
Conclusie 16
Inleiding
Sinds het industriële tijdperk zorgt de mens voor extra koolstofdioxide productie die het verzuren van de oceanen tot gevolg heeft. De oceanen bezitten een buffer die de extra CO2 kunnen opvangen zonder sterk verstoord
te worden. Door de grote antropogene koolstofdioxide productie heeft de opname van CO2 wel een verlaging van de pH tot gevolg. Dit vormt een groot
probleem voor mariene ecosystemen, die hierdoor worden beïnvloed; door hoge atmosferische CO2 concentratie wordt de koolstofcyclus verstoord en op
globale schaal verandert zelfs het klimaat (Dupont & Pörtner, 2013, Doney et al., 2009). De opwarming van de aarde heeft
gevolgen voor het klimaat en de ecosystemen op aarde, maar ook de mens heeft ermee te maken.
Er zijn meerdere oplossingen geopperd voor dit probleem. Een van die oplossingen is ijzerbemesting. IJzerbemesting wordt vaak door commerciële organisaties genoemd als oplossing voor de hoge CO2 uitstoot in de
wereld, omdat het de verzuring van de oceanen tegen gaat (Cao & Caldeira, 2010). Het volgt de door John Martin opgestelde 'ijzer-hypothese', die stelt dat het bemesten van de oceanen met ijzer de fytoplanktongroei stimuleert. Dit
fytoplankton verbruikt dan op een natuurlijke manier CO2, en verlaagt
daarmee het CO2-niveau in de oceaan (Zie
figuur 1).1
Over de werking van dit mechanisme bestaan verschillende ideeën. Er zijn de afgelopen jaren meerdere in-situ ijzerfertilisatie experimenten uitgevoerd, in verschillende oceanen. De resultaten van deze experimenten verschillen van elkaar, maar een aantal algemene conclusies komt er uit naar voren. Zo is het volgens de The Royal Society (2009) en het Rathenau Instituut (2013) nog 1 http://truthnotinvain.blogspot.nl/2010/09/iron-fertilization.html
Figuur 1. Schematische weergave
niet bekend welke gevolgen ijzerfertilisatie heeft voor mariene ecosystemen. Ook is het nog onvoldoende duidelijk of er wel CO2 wordt opgeslagen en wat
de invloed van het ijzer op andere opgeloste nutriënten is (Watson et al., 2008; Riphagen & Blom, 2013). Ook zou het effect tegen kunnen vallen door het begrazen van het fytoplankton door zoöplankton, of doordat andere nutriënten dan ijzer limiterend zijn of worden (The Royal Society, 2009). Deze onduidelijkheden zouden kunnen worden opgelost door de experimentele periode te verlengen. De experimenten duurden tot nu toe maximaal twee maanden, en dit is te kort om lange termijn effecten van ijzerbemesting te onderzoeken (Watson et al., 2008).
Over de voor- en nadelen van ijzerfertilisatie bestaat dus nog veel discussie. Het is daarom belangrijk dat deze voor- en nadelen goed in kaart worden gebracht zodat er onderzocht kan worden of ijzerbemesting daadwerkelijk een oplossing voor oceaanverzuring kan zijn. Dit onderzoek bekijkt of ijzerfertilisatie toepasbaar is aan de hand van twee vragen:
1) Op welke manier kan ijzerbemesting bijdragen aan vermindering
van de atmosferische CO2 concentratie?
2) Wat is de reden dat ijzerbemesting, wat als zo’n veelbelovende
oplossing werd aangevoerd, op dit moment niet genoeg potentie heeft om een oplossing van oceaanverzuring te worden genoemd?
Deze vragen worden binnen drie verschillende disciplines beantwoord, namelijk scheikunde, biologie en natuurkunde. Deze disciplines passen goed bij het probleem omdat alle facetten ervan zo onderzocht kunnen worden. Zo wordt er vanuit de scheikunde gekeken naar de chemische reacties die plaatsvinden, en hoe deze reacties ijzerbemesting kunnen beïnvloeden. Vanuit de natuurkunde wordt gekeken naar de verspreiding van ijzer in de oceaan en het modelleren van ijzerbemesting. Vanuit de biologie kan inzicht worden vergaard over de heersende ecosystemen en de veranderingen die daarin plaatsvinden door het toegevoegde ijzer. Figuur 2 is een schematische weergave van de samenhang tussen de disciplines.
De eerste vraag wordt aan de hand van verschillende deelvragen beantwoord. Deze deelvragen zijn verdeeld over de disciplines en zijn als volgt:
- Hoe kan ijzerfertilisatie worden bewerkstelligd? - Hoe verloopt de verspreiding van ijzer in de oceaan?
- Hoe kan een hogere concentratie ijzer zorgen voor een hogere CO2
opname/opslag?
- Wat is de invloed van ijzerbemesting op mariene ecosystemen?
De tweede hoofdvraag wordt beantwoord met behulp van diepte interviews met experts op het gebied van ijzerbemesting. Uit deze interviews wordt literatuur verkregen die gebruikt wordt voor het antwoorden van de hoofdvraag. Deze tweede vraag geeft de discussie weer die op dit moment gaande is in de wetenschappelijke wereld. Ook geven wij hierbinnen aan wat onze mening is over ijzerbemesting na integratie van alle informatie uit de literatuur en de interviews.
Theoretisch kader
Op veel plaatsen in de oceaan, en vooral in de Zuidelijke Oceaan, is ijzer limiterend (Behrenfeld & Kolber, 1999; Martínez-García et al., 2014). IJzer kan op verschillende manieren in de oceaan komen:
1) Contact van water met continentaal sediment (Grousset & Biscaye, 2005)
2) Verspreiding van stof via de wind (Fan et al., 2006) 3) Smeltend zee-ijs (Sedwick & DiTullio, 1997)
4) Opwelling (Hoppema et al., 2003).
Daarnaast is het recyclen en regenereren van biologisch ijzer ook een belangrijke bron van ijzer (Hoppema et al., 2003).
Toch zijn deze toevoegingen van ijzer niet groot genoeg om het limiet eraan op te heffen. Door het tekort aan ijzer kunnen algen, en in het bijzonder fytoplankton, minder goed groeien (Martin & Fitzwater, 1988). Deze micro-organismen zijn de primaire producenten van mariene ecosystemen, en zetten aan het wateroppervlak CO2 om in glucose en zuurstof, met behulp van
licht (Behrenfeld et al, 1996). Dit betekent dat fytoplankton CO2 uit de lucht
en uit de oceanen weg vangt op het moment dat het gaat groeien. Er werd gevonden in experimenten dat de meeste organismen al een limiet aan ijzer hadden ver onder de minimale oplosbaarheid van ijzer. Dit betekent dat er nog veel meer ijzer zou kunnen worden opgelost en het fytoplankton dus nog meer koolstofdioxide kan opnemen (Sunda & Huntsman, 1997). Op dit gegeven berust het concept van ijzerbemesting, dat gebaseerd is op de ijzer-hypothese van John Martin. Deze is opgesteld nadat Martin observeerde dat de productiviteit in de oceaan gelimiteerd werd door ijzer, en veronderstelde dat de verlaging van atmosferisch CO2 in de ijstijd een gevolg was van
ijzerbemesting van de oceaan (Martínez-García et al., 2014). Deze fertilisatie zou door natuurlijk toedoen zijn ontstaan door het neerslaan van stof in de oceanen, maar het kan ook kunstmatig gebeuren. Dit concept is daarna opgepakt door verschillende wetenschappers en verschillende in-situ ijzerbemesting experimenten zijn uitgevoerd (de Baar et al., 2005).
Een aspect dat mede verantwoordelijk is voor de werking van ijzerbemesting is het zinken van het fytoplankton naar de diepere lagen van de oceaan (Smetacek, 2012). Als dit niet gebeurt, kan het CO2 op het moment dat het
fytoplankton dood gaat weer in de lucht terecht komen en heeft ijzerbemesting geen effect. In de Zuidelijke Oceaan staat de bovenste laag van de oceaan, die tot 200 meter diepte gaat, in contact met de atmosfeer. Pas als het fytoplankton en het daarin vastgelegde koolstof onder die grens zinkt, is het opgeslagen en uit de atmosfeer verwijderd (Smetacek, 2012).
Figuur 4: Schematische weergave ijzerbemesting
Bij ijzerbemesting zijn dus meerdere componenten betrokken, zoals het limiet aan ijzer, de fytoplanktongroei na fertilisatie en het zinken van het fytoplankton. Deze componenten worden aan de hand van de deelvragen verder uitgewerkt.
Methoden
De vier deelvragen komen elk uit een andere discipline. Ze bouwen het literaire onderstel voor de discussie op de tweede interdisciplinaire hoofdvraag. Deze zal worden beantwoord met interviews met experts en verdiepende literatuur. Hier zal worden uitgediept waarom ijzerbemesting nog niet als oplossing wordt aangevoerd. De interviews zijn afgenomen bij verschillende experts op het gebied van oceaanverzuring, ijzerbemesting, ecosystemen en fysische oceanografie. In elk van de interviews worden een aantal algemene vragen gesteld, bijvoorbeeld of de persoon in kwestie denkt of ijzerbemesting als oplossing zou kunnen dienen voor oceaanverzuring. Daarnaast zullen per discipline en per interview een aantal specifiekere vragen gesteld worden die gericht zijn op het vakgebied waarin de geïnterviewde persoon werkzaam is.
Hoe kan ijzerfertilisatie worden bewerkstelligd?
De ijzerconcentratie in het oppervlaktewater in de High-nitrate-low-chlorophyl laag (HNLC-laag) ligt vaak tussen de 0,05 en 0,3 nM (de Jong et al., 1998).
Deze concentraties ijzer liggen zo laag door een lage input van ijzer in de oceaan. Hoewel de concentratie heel laag lijkt te liggen, hoort de concentratie nog lager te zijn. Fe(III) heeft een oplosbaarheidproduct van 0,07 nM in een oceaan met pH = 8 en een temperatuur van 4°C (Liu & Millero, 1999). De reden dat de concentratie ijzer hoger ligt dan het oplosbaarheidsproduct komt door organische complexatie reacties. Maar minder dan 1% van het opgeloste ijzer is niet gebonden door organische liganden (Van Der Berg, 1995). Uit welke elementen deze liganden bestaan en wat de chemische structuur is, is nog grotendeels onbekend. Wel is bekend dat de organische complexatie essentieel is voor het leven in de oceaan: zonder de hogere concentraties ijzer zou fotosynthese immers minder plaatsvinden in de oceaan en zou de oceaan niet zo rijk aan zuurstof zijn.
Door de complexatie van ijzerionen in de oceaan kan de concentratie ijzer worden verhoogd tot ver boven het oplosbaarheidsproduct. In de ijzerbemesting experimenten wordt gestreefd naar een concentratie van ongeveer 2 nM. Deze concentratie is ongeveer 20 maal zo hoog als normaal. Het ‘Southern Ocean Iron Release Experiment’ SOIREE (Boyd & Law, 2001) was het eerste experiment op gebied van ijzerbemesting. In dit experiment werd 3800 kg aangezuurd FeSO4∙7H2O toegevoegd aan de zee met 156 SF6. De SF6 is een tracer die wordt toegevoegd aan de oplossing, zodat het ijzer kan worden gevolgd (Boyd &Law, 2001). Wanneer het ijzer wordt toegevoegd aan de oceaan, heeft het een oxidatiestaat van twee. Het grote deel van het toegevoegde ijzer wordt geoxideerd tot Fe(III). Dit is slecht oplosbaar en precipiteert meteen uit. Het Fe(II) wordt grotendeels gebonden door de organische liganden en wordt zo beschikbaar voor het fytoplankton in de HNLC-laag (Rijkenberg, 2014). Door de snelle oxidatie van ijzer, moest er in SOIREE op de derde, vijfde en zevende dag nog extra ijzer worden toegevoegd (Boyd & Law, 2001). Om te bepalen op welke plek het ijzer wordt toegevoegd aan de oceaan wordt gezocht naar een locatie waar de horizontale stroming niet te groot is. Dit wordt gedaan zodat het ijzer makkelijker kan worden gevolgd en de verspreiding niet willekeurig gaat. Draaikolken, met ongeveer een doorsnede van 100-200 mijl, zijn hiervoor heel erg geschikt en de expedities zoeken dan ook naar deze eddy’s (Boyd et al., 2000). Echter door verticale stromingen, die door storm worden
bewerkstelligd, en verandering van de horizontale stroming blijft het volgen van ijzer en dus de effecten heel moeilijk.
Hoe verloopt de verspreiding van ijzer in de oceaan?
Als ijzerbemesting wordt toegepast, zal het in de Zuidelijke Oceaan zijn, omdat hier ijzer het limiterende element is (Behrenfeld & Kolber, 1999). De Zuidelijke Oceaan bevat het grootste HNLC-gebied van de wereld (Blain, Sarthou et al., 2008). Het staat in verbinding met de Noord Atlantische oceaan, de Weddellzee en de zeestroom de Westenwinddrift. Tussen de Westenwinddrift en Noord Atlantische wateren zitten veel verschillen in eigenschappen, bijvoorbeeld in temperatuur en samenstelling (Reid, 1989). Dit zorgt voor verschillende lagen van stromingen in de Zuidelijke Oceaan (Reid 1989). Data wijzen erop dat de toename van fytoplankton afhangt van verschillende omgevingsfactoren, met name deze verschillende lagen; waar het water goed mengt kan fytoplankton beter leven (Arrigo et al. 1999). Ook hebben deze stromingen invloed op de verspreiding van ijzer over het gebied.
Figuur 5. Weergave van de verschillende ijzerbemesting experimenten (Morrissey & Bowler, 2012).
1 – IronEx-I, 1993; 2 – IronEx-II, 1995; 3 – SOIREE, 1999; 4 – EisenEx, 2000; 5 – SEEDS-I, 2001; 6 – SERIES, 2002; 7 – SOFeX North, 2002; 8 – SOFeX South, 2002; 9 – SEEDS-II, 2004; 10 – EIFEX, 2004; 11 – SAGE, 2004; 12 – PAPA-SEEDS, 2006; 13 – LOHAFEX, 2009.
In figuur 2 is weergegeven waar de experimenten uitgevoerd zijn. Blauwe gebieden zijn gebieden waar weinig chlorofyl is (0.1 mg/m3), in de groene
gebieden is veel chlorofyl (1,0 mg/m3). De kleur van de cirkels geeft aan welke planktonsoort dominant was in de bloom: oranje – diatomeeën; groen – picofytoplankton; roze – zooplankton (Morrissey & Bowler, 2012).
Het element ijzer komt via het vaste land in het water terecht. In diepzeegebieden zijn vaak brokken van ijzer, calcium en organische verbindingen gevonden die van het land afkomstig zijn (Wolff, Fischer et al. 2006). De vier manieren waarop ijzer in de oceaan kan komen is hierboven al genoemd. In het onderzoek van Wolff, Fischer et al. (2006) is de flux van ijzer bepaald door te kijken naar andere stoffen die van het vaste land afkomstig zijn. Van calcium en natrium zijn meer data bekend en deze stoffen zijn representatief voor ijzer. Vooral non-sea-salt Ca (nssCa) is geschikt om ijzer te vertegenwoordigen. De hoeveelheid nssCa in de Zuidelijke Oceaan varieert sterk over de tijd. In de ijstijden is de hoeveelheid een factor 10 hoger dan in de tussenliggende perioden. Deze veranderingen zouden kunnen ontstaan door verandering op het land door temperatuur, vochtigheid en vegetatie. De hoeveelheden zijn afhankelijk van de windkracht en hoeveelheid ijs op het land (Wolff, Fischer et al. 2006). Uit modelleren van de oceanen tijdens de Last Glacial Maximum (LGM) blijkt dat het meeste ijzer in de Zuidelijke Oceaan van Patagonië komt.
Eén van de problemen bij ijzerbemesting is dat het ijzer snel over het gebied verspreidt. Opgelost ijzer, dat fytoplankton verbruikt, vormen snel brokken met ander materiaal waardoor het zinkt (Kerr, 1994). In het onderzoek van Trull et al. (2001) is gekeken naar de verspreiding van ijzer in de Zuidelijke Oceaan. Het blijkt dat de ijzerconcentraties laag zijn in de SAZ, PFZ, IPFZ en AZ-S ten zuiden van Australië. Alleen in bepaalde gebieden vlak bij land zal ijzerbemesting geen effect hebben. Hieruit blijkt dat ijzer verspreiding over een groot gebied in de Zuidelijke Oceaan geen probleem oplevert. Het ijzertekort is over een groot gebied verspreid waar fytoplankton zal reageren (Trull et al. 2001). In dit onderzoek wordt geen rekening gehouden met de zinksnelheid van ijzer, zoals in het eerdergenoemde artikel van Kerr (1994).
Tanner et al. (1994) hebben gekeken naar de verspreiding van ijzer na bemesting in de Grote Oceaan. Met trackerstoffen is bijgehouden hoe het toegevoegde ijzer zich over een gebied van 60 km2 verspreidde. De verwachting was dat de ijzerpatch snel zou oplossen door diffusie en eventuele obstakels, echter het ijzer bleef vier dagen lang bij elkaar hangen. Het verspreidde zich heel snel over de verschillende lagen van de oceaan. Hoe kan een hogere concentratie ijzer zorgen voor een hogere CO2
opname/opslag?
Algen en fytoplankton behoren tot de autotrofe organismen, de primaire producenten. Aan de hand van fotosynthese worden anorganische stoffen, waaronder koolstofdioxide, omgezet in organische stoffen. Het productieproces wordt beïnvloed door meerdere factoren: beschikbare hoeveelheid licht, aanwezigheid van nutriënten (stikstof, fosfor, waaronder ook ijzer), koolstof en warmte. Met behulp van nutriënten kunnen organismen worden opgebouwd. IJzer is een belangrijke component voor enzymen. Eiwitten maken gebruik van ijzerionen om te kunnen functioneren. Ook hebben algen ijzer nodig om het nutriënt stikstof te kunnen opnemen. In een HNLC-gebied is er een tekort aan ijzer, waardoor ijzer het limiterende micronutriënt is en de ontwikkeling van de primaire productie belemmerd. Door het bereiken van hogere concentraties ijzer in de oceaan kan de productie van fytoplankton worden bevorderd. Het effect van ijzerbemesting is vooral zichtbaar bij de grotere soort fytoplankton. Deze groep organisme neemt significant toe na de bemesting, er ontstaat een bloei in de bovenste laag van de oceaan en de concentratie chlorofyl stijgt. Dit is verder uitgewerkt in de beantwoording op de vierde deelvraag hieronder.
Er spelen veel factoren mee die na de bloei tot CO2 opslag leiden.
Fytoplankton staat onderaan de voedselketen en wordt geconsumeerd door organisme van de eerste orde. Het materiaal dat niet geconsumeerd wordt, zakt naar de diepte. Tijdens het zinken kan dit materiaal aggregeren en de kans tot zinken bevorderen. Bemesting van ijzer heeft tot gevolg het ontstaan van grotere soorten fytoplankton, zoals diatomeeën. De hogere massa van deze soort zorgt voor het gemakkelijker bereiken van de diepzee. Dit proces waarbij de organische verbindingen worden opgeslagen in het sediment wordt
de biologische pomp genoemd. Ook kan het door bacteriën en virussen worden afgebroken, waardoor het organisch materiaal terug in de oceaan komt. De bovenste laag (ca. 200 m) staat in contact met de atmosfeer. Als het materiaal in deze bovenste laag wordt afgebroken komt het koolstof in de atmosfeer terecht, en heeft het geen effect gehad.
Verdere oceaanverzuring zal bijdragen aan de verstoring van de biologische pomp. Door de pH verlaging verschuift het evenwicht tussen koolstofdioxide en calciumcarbonaat naar de kant van koolstofdioxide en lost calciumcarbonaat makkelijker op. Dit heeft tot gevolg dat de opslag van CO2
in sedimenten verstoord word, de vorming en zinking van calciumcarbonaat deeltjes neemt af en koolstof komt vrij.
Het zinken van CO2 rijk organisch materiaal gaat relatief langzaam en wordt
op de weg naar beneden door vele organismen afgebroken in de bovenste laag van de oceaan. Dit belemmerd het effect van de biologische pomp. De chlorofylgroei ten opzichte van de koolstof opname in het sediment is erg laag. De hogere concentratie ijzer bevordert de primaire productie door het limiterende element weg te nemen. Daarna moet de opslag van CO2 in het
sediment plaatsvinden, maar dit gebeurt niet altijd door bepaalde factoren, zoals bacteriën en virussen die de balans van de oceaan intact houden. De grote bloei resulteert niet in een rendabele koolstofopslag.
Wat is de invloed van ijzerbemesting op mariene ecosystemen?
Fytoplankton leeft in de laag van de oceaan die de HNLC-laag heet. Door de hoge nutriëntenconcentratie in de laag is deze zeer geschikt voor ijzerbemesting (de Baar et al., 2005). Door ijzer toe te voegen aan gebieden waar dit limiterend is, valt het tekort hieraan weg en kan het fytoplankton gaan groeien. Hierdoor neemt de primaire productie toe, ontstaat er een bloei en neemt de totale concentratie van chlorofyl in het bemestte gebied toe (Hannon et al., 2001).
In meerdere onderzoeken werd gevonden dat wanneer er een bloei ontstaat, er een omslag plaatsvindt binnen de fytoplanktongemeenschap (Wallace et al., 2010). Zo verschuift de dominantie van kleiner fytoplankton, zoals
cyanobacteriën, via fytoplankton van een gemiddelde grootte, zoals haptofyten, naar groter fytoplankton, zoals diatomeeën en nanoflagellaten (Wallace et al., 2010; Hannon et al., 2001; Blain et al., 2007).
Wat voor gevolgen deze shift in dominantie heeft voor het ecosysteem is nog niet goed bekend. In figuur 3 is een versimpelde weergave van het mariene ecosysteem te zien. In dit figuur kan gezien worden dat door het groter worden van de fytoplanktonpopulaties er meer voedsel beschikbaar is voor zoöplankton, de predatoren van fytoplankton (Harrison, 2006). Deze groep organismen zou dan ook in biomassa toe kunnen nemen, maar of dit ook daadwerkelijk gebeurd is onzeker. Zo vonden Sastri en Dower (2006) geen significante toename van de mesozoöplankton gemeenschap in de noordoost Pacific na ijzerbemesting, maar is het volgens hen wel mogelijk dat mesozoöplankton indirect van de bloei geprofiteerd heeft door middel van een grotere overlevingskans. In andere onderzoeken is na ijzerbemesting wel een toename van microzoöplankton gevonden (Wallace et al., 2010).
Ook voor de hogere trofische niveaus is het nog onduidelijk wat voor gevolgen ijzerfertilisatie heeft. De links tussen de
organismen in het mariene ecosysteem zijn erg nauwkeurig en precair. Het toevoegen van ijzer zou daarom grote gevolgen kunnen hebben (Riphagen& Blom, 2013). Door de fytoplanktonbloei kunnen anoxische en toxische zones in de oceaan ontstaan, wat de hogere trofische niveaus (zoals krill, vissen en zoogdieren) negatief zou kunnen beïnvloeden (Stomp, 2014). Om tot een volledig overzicht te komen van de gevolgen van ijzerbemesting moet er meer en langduriger onderzoek gedaan worden naar de veranderingen in het mariene ecosysteem na ijzerfertilisatie (The Royal Society, 2009).
Figuur 6. Voedselweb binnen het mariene ecosysteem van de Zuidelijke Oceaan (Flores, 2009).
Wat is de reden dat ijzerbemesting, wat als zo’n veelbelovende oplossing werd aangevoerd, op dit moment niet genoeg potentie heeft om een oplossing van oceaanverzuring te worden genoemd? Zoals in het voorgaande stuk te lezen is, lijkt ijzerbemesting op papier een redelijke, dan wel tijdelijke, oplossing te zijn om oceaanverzuring tegen te gaan. De vraag die dan opspeelt is waarom ijzerbemesting dan niet nu al op grote schaal wordt toegepast. Aan de hand van verdiepende literatuur en meerdere interviews met experts op het gebied van ijzerbemesting zal de discussie rondom ijzerbemesting als oplossing voor oceaanverzuring worden weergeven.
De grootste valkuil bij de ijzerbemestingsprojecten volgens de experts uit de chemische onderzoekswereld is de uiteindelijke verspreiding van het toegevoegde ijzer (de Baar, 2014, Rijkenberg, 2014, Klunder 2014). De dynamica van de zee en het mixen van de verschillende lagen van de oceaan door storm is niet te voorspellen. Wanneer een lading FeSO4.7H2O wordt toegevoegd aan de oceaan is het van te voren niet bekend waar de uiteindelijke fytoplanktonbloom plaatsvindt. Zo zijn er experimenten geweest waar het ijzer was verspreid over een dunne lijn van 1000 mijl (Rijkenberg, 2014). Door de onbekende verspreiding van ijzer is het ook moeilijk om de echte gevolgen van het ijzer te meten. Als de locatie van de bloom bekend is kan aan de hand van Fv/Fm ratio de plant stress worden gemeten en dit kan een indicatie geven of het chlorofyl gezond is, wat betekent dat het gezond is en ijzer ter beschikking heeft (Baker & Oxborough, 2004).
Daarnaast is er uit de voorgaande deelvragen op te maken dat het toegevoegd ijzer snel oxideert (Rijkenberg, 2014) en dat een waterlaag met een hogere concentratie ijzer zwaarder is dan de HNLC- laag en daarom ook sneller zal zinken (Large et al, 1994). In SOIREE werd na de eerste toevoeging nog 3 maal aangezuurd FeSO4 toegevoegd, bij IronEx-2 werd nog 2 maal ijzer toegevoegd, net zoals bij EisenEx en bij SoFex maar 1 herhaling (De Baar, 2005). In de experimenten werd telkens pas na een aantal dagen een verschil in chlorofyl activiteit gevonden, maar na ongeveer drie weken waren deze waarden weer gelijk aan de oude activiteit. Dit suggereert dat voor een blijvende verhoogde activiteit van fytoplankton er een constante toevoeging
van ijzer nodig is. Behalve dat dit heel veel geld kost, kost het ook CO2. Het
zou zelfs zo kunnen zijn dat de hoeveelheid opgeslagen CO2 door de
experimenten lager is dan het verbruikte CO2 in het proces (Rijkenberg, 2014,
De Baar, 2014). Klunder (2014) noemt de experimenten een te grote onzekerheid voor een relatief kleine opbrengst. Bij een wegvanginstallatie is het zeker dat je de bepaalde stof kwijt bent, maar dat is in het geval van ijzerbemesting niet zo.
Zoals eerder genoemd zijn er meerdere nutriënten belangrijk voor de opslag van CO2 in biomassa. Als er door ijzerbemestingsexperimenten uiteindelijk
genoeg ijzer zou zijn toegevoegd, zullen andere nutriënten limiterend zijn. Volgens Rijkenberg (2014) zal ijzerbemesting door deze ratio uiteindelijk niet werken: de concentratie van de andere nutriënten zijn namelijk niet hoog genoeg om de hoeveelheid CO2 op te slaan, die men van plan is.
Zoals eerder ook al genoemd zijn de gevolgen voor het mariene ecosysteem grotendeels nog onbekend. Wel dachten onze experts dat ijzerbemesting uiteindelijk negatieve gevolgen heeft voor het ecosysteem (Stomp, 2014, Klunder, 2014). De connecties tussen de verschillende trofische niveaus zijn volgens hen erg precies op elkaar afgesteld, en dat zou ijzerbemesting kunnen verstoren. Ook kan het volgens Stomp (2014) gebeuren dat er een soort wordt gestimuleerd die toxische omstandigheden met zich meebrengt, zoals toxische dinoflagellaten. Dit heeft vanzelfsprekend grote invloed op de andere soorten in het ecosysteem die deze toxische stoffen vaak niet om kunnen zetten en eraan dood kunnen gaan. De groei van fytoplankton kan ook nog andere nadelen met zich meebrengen. Door de bloei ontstaan er zuurstofloze omstandigheden in het water wat ervoor zorgt dat het gebied soortenarm wordt. Vele organismen waarvoor zuurstof essentieel is, kunnen hierdoor verloren gaan. Ook kan fytoplankton zichzelf benadelen, een fenomeen dat selfshadingblooms wordt genoemd. Dit houdt in dat er zoveel fytoplankton ontstaat dat hogerop gelegen organismen het licht voor lager gelegen organismen blokkeert. Deze kunnen daardoor geen fotosynthese meer uitvoeren en dus ook geen CO2 fixeren. Dit zou echter wel het effect van
beneden kan zinken en daarmee CO2 opslaat in de diepere lagen van de
oceanen.
Volgens Stomp en Klunder (2014) is het vooral belangrijk om de experimenten langer te laten duren, zodat lange termijn effecten onderzocht kunnen worden.
Heeft het najagen van deze eerst zo veelbelovende oplossing dan nog wel zin? Voor vele wetenschappers die zich jaren hebben verdiept in ijzerbemesting als oplossing voor oceaanverzuring wegen de nadelen niet meer op tegen de voordelen. Veel experts zien ijzerbemesting niet als permanente oplossing. IJzerbemesting is symptoombestrijding van oceaanverzuring en als het probleem echt moet worden opgelost zal er toch naar de CO2 uitstoot moeten worden gekeken (Klunder, 2014, Rijkenberg,
2014, Van Maarseveen 2014). Volgens Klunder (2014) zal ijzerbemesting echter niet snel van de baan gaan, doordat het een makkelijke oplossing is voor staten om ‘iets te doen tegen het milieuprobleem’. Dit komt waarschijnlijk doordat er geen eenduidig nee is gevallen en bij de afweging van onzekerheden tegen de resultaten de uitkomst maar net afhangt aan hoe licht de onzekerheden worden gezien.
Conclusie
Hoewel ijzerbemesting bij de uitdieping in het theoretisch kader en bij beantwoording van de eerste hoofdvraag en deelvragen een veelbelovende oplossing leek, blijkt na het spreken met experts toch dat er behoorlijk veel haken en ogen aan deze methode zaten. Dat onderzoekers het waarschijnlijk geen oplossing gaat zijn, bevestigt de twijfels die er op het begin al waren. Dat ijzerbemesting kan zorgen voor een opslag van CO2, dat is in de verschillende experimenten wel
bevestigd. De vraag is alleen of de moeite die hiervoor moet worden gedaan opweegt tegen het succes en dit blijkt niet uit de discussie.
Literatuur
Arrigo, K. R., Robinson, D. H., Worthen, D. L., Dunbar, R. B., DiTullio, G. R., VanWoert, M., &Lizotte, M. P. (1999). Phytoplankton community structure and the drawdown of nutrients and CO2 in the Southern Ocean. Science,
283(5400), 365-367.
Baker, N. R., & Oxborough, K. (2004). Chlorophyll fluorescence as a probe of photosynthetic productivity. In Chlorophyll a Fluorescence (pp. 65-82). Springer Netherlands.
Behrenfeld, M. J., &Kolber, Z. S. (1999). Widespread iron limitation of phytoplankton in the South Pacific Ocean. Science, 283(5403), 840-843.
Behrenfeld, M. J., Bale, A. J., Kolber, Z. S., Aiken, J., &Falkowski, P. G. (1996). Confirmation of iron limitation of phytoplankton photosynthesis in the equatorial Pacific Ocean.
Blain, S., Quéguiner, B., Armand, L., Belviso, S., Bombled, B., Bopp, L., ... & Wagener, T. (2007). Effect of natural iron fertilization on carbon sequestration in the Southern Ocean. Nature, 446(7139), 1070-1074.
Blain, S., Sarthou, G., &Laan, P. (2008). Distribution of dissolved iron during the natural iron-fertilization experiment KEOPS (Kerguelen Plateau, Southern Ocean). Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 55(5), 594-605.
Boyd, P. W., & Law, C. S. (2001). The Southern Ocean iron release experiment (SOIREE)—introduction and summary. Deep Sea Research Part II: Topical
Studies in Oceanography, 48(11), 2425-2438.
Boyd, P. W., Watson, A. J., Law, C. S., Abraham, E. R., Trull, T., Murdoch, R., ... &Zeldis, J. (2000). A mesoscale phytoplankton bloom in the polar Southern Ocean stimulated by iron fertilization. Nature, 407(6805), 695-702.
Cao, L., &Caldeira, K. (2010). Can ocean iron fertilization mitigate ocean acidification?. Climatic Change, 99(1-2), 303-311.
De Baar, H. J., Boyd, P. W., Coale, K. H., Landry, M. R., Tsuda, A., Assmy, P., ... & Wong, C. S. (2005). Synthesis of iron fertilization experiments: from the iron age in the age of enlightenment. Journal of Geophysical Research: Oceans
(1978–2012), 110(C9).
De Jong, J. T. M., Den Das, J., Bathmann, U., Stoll, M. H. C., Kattner, G., Nolting, R. F., & De Baar, H. J. W. (1998). Dissolved iron at subnanomolar levels in the Southern Ocean as determined by ship-board analysis. AnalyticaChimicaActa,
377(2), 113-124.
Doney, S. C., Fabry, V. J., Feely, R. A., &Kleypas, J. A. (2009). Ocean acidification: the other CO2problem. Marine Science, 1.
Dupont, S., &Pörtner, H. (2013). Marine science: get ready for ocean acidification. Nature, 498(7455), 429-429.
Fan, S. M., Moxim, W. J., & Levy, H. (2006). Aeolian input of bioavailable iron to the ocean. Geophysical research letters, 33(7).
Flores, H. (2009). Frozen Desert Alive. The role of sea ice for pelagic
macrofauna and its predators: implications for the Antarctic pack-ice food web(Doctoral dissertation, University of Groningen).
Gall, M. P., Boyd, P. W., Hall, J., Safi, K. A., & Chang, H. (2001). Phytoplankton processes. Part 1: community structure during the Southern Ocean iron release experiment (SOIREE). Deep Sea Research Part II: Topical Studies in
Oceanography, 48(11), 2551-2570.
Grousset, F. E., &Biscaye, P. E. (2005). Tracing dust sources and transport patterns using Sr, Nd and Pb isotopes. Chemical Geology, 222(3), 149-167. Harrison, P. J. (2006). SERIES (subarctic ecosystem response to iron enrichment study): A Canadian–Japanese contribution to our understanding of
the iron–ocean–climate connection. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 53(20).
Hoppema, M., de Baar, H. J., Fahrbach, E., Hellmer, H. H., & Klein, B. (2003). Substantial advective iron loss diminishes phytoplankton production in the Antarctic Zone. Global biogeochemical cycles, 17(1).
Kerr, R. A. (1994). Iron fertilization: A tonic, but no cure for the greenhouse.Science, 263(5150), 1089-1090.
Klunder, M.B., (2014). INTERVIEW
Lancelot, C., Hannon, E., Becquevort, S., Veth, C., & De Baar, H. (2000). Modeling phytoplankton blooms and carbon export production in the Southern Ocean: dominant controls by light and iron in the Atlantic sector in Austral spring 1992. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers,47(9), 1621-1662.
Large, W. G., McWilliams, J. C., &Doney, S. C. (1994). Oceanic vertical mixing: A review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization.Reviews of Geophysics, 32(4), 363-403.
Liu, X., &Millero, F. J. (2002). The solubility of iron in seawater. Marine
Chemistry, 77(1), 43-54.
Martin, J. H., & Fitzwater, S. E. (1988). Iron deficiency limits phytoplankton growth in the north-east Pacific subarctic. Nature, 331(3414343), 947-975. Martínez-García, A., Sigman, D. M., Ren, H., Anderson, R. F., Straub, M., Hodell, D. A., ... &Haug, G. H. (2014). Iron fertilization of the Subantarctic Ocean during the last ice age. Science, 343(6177), 1347-1350.
Morrissey, J., & Bowler, C. (2012). Iron utilization in marine cyanobacteria and eukaryotic algae. Frontiers in microbiology, 3.
Reid, J. L. (1989). On the total geostrophic circulation of the South Atlantic Ocean: Flow patterns, tracers, and transports. Progress in
Oceanography,23(3), 149-244.
Rijkenberg, 2014 INTERVIEW
Riphagen, M. en F. Brom (red.), Klimaatengineering: hype, hoop of wanhoop?, Den Haag, Rathenau Instituut 2013
Sastri, A. R., & Dower, J. F. (2006). Mesozooplankton community response during the SERIES iron enrichment experiment in the subarctic NE Pacific.Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 53(20), 2268-2280.
Sedwick, P. N., &DiTullio, G. R. (1997). Regulation of algal blooms in Antarctic shelf waters by the release of iron from melting sea ice. Geophysical
Research Letters, 24(20), 2515-2518.
Shepherd, J. G. (2009). Geoengineering the climate: science, governance and uncertainty. Royal Society.
Smetacek, V., Klaas, C., Strass, V. H., Assmy, P., Montresor, M., Cisewski, B., ... & Wolf-Gladrow, D. (2012). Deep carbon export from a Southern Ocean iron-fertilized diatom bloom. Nature, 487(7407), 313-319.
Stomp, M. (2014) INTERVIEW
Sunda, W. G., & Huntsman, S. A. (1997). Interrelated influence of iron, light and cell size on marine phytoplankton growth. Nature, 390(6658), 389-392. Tanner, S., Hunter, C., Elrodf, V., Nowickl, J., Barber, R., Lindley, S., ... &Tindale, N. W. (1994). Testing the iron hypothesis in ecosystems of the equatorial Pacific Ocean. Nature, 371, 123
Trull, T., Rintoul, S. R., Hadfield, M., & Abraham, E. R. (2001). Circulation and seasonal evolution of polar waters south of Australia: implications for iron
fertilization of the Southern Ocean. Deep Sea Research Part II: Topical Studies
in Oceanography, 48(11), 2439-2466.
van den Berg, C. M. (1995). Evidence for organic complexation of iron in seawater. Marine Chemistry, 50(1), 139-157.
Wallace, D., Law, C., Boyd, P., Collos, Y., Croot, P., Denman, K., ... & Williamson, P. (2010). Ocean fertilization: A scientific summary for policy makers.
Watson, A. J., Boyd, P. W., Turner, S. M., Jickells, T. D., &Liss, P. S. (2008). Designing the next generation of ocean iron fertilization experiments. Marine Ecology Progress Series, 364, 303-309.
Wolff, E. W., Fischer, H., Fundel, F., Ruth, U., Twarloh, B., Littot, G. C., ... &Gaspari, V. (2006). Southern Ocean sea-ice extent, productivity and iron flux over the past eight glacial cycles. Nature, 440(7083), 491-496.
