Hoe onderzoek je de aanwezigheid en invloed van microplastics in onze estuaria, zeeën en oceanen? En: wat is de rol van microben bij het afbreken van deze microplastics? Het zijn vragen die dr. Linda Amaral-Zettler en dr. Helge Niemann, twee toponderzoekers van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee, proberen te beantwoorden.
Bij de Verenigde Naties, overheden, multinationals, maar tevens bij wetenschappers en betrokken burgers groeit de aandacht voor het wereldwijde plasticprobleem. Met OceanX, The Ocean Cleanup en 4Ocean zijn overal ter wereld initiatieven die een schone zee prediken en de bezem ter hand nemen in de strijd tegen de plasticsoep. Opruimen is het devies, hoewel het effect van deze inspanningen op wereldschaal vooralsnog onbekend is. Ondertussen wordt de grootste schade aan voedselketens in oceanen mogelijk aangericht door een relatief onbekende, minuscule vijand: microplastics. Zwevend tussen het plankton, verstopt in het sediment op de bodem, doordrenken deze kleine plasticdeeltjes (< 5 mm) wereldwijd het zeemilieu. Dr. Linda Amaral-Zettler en dr. Helge Niemann van het NIOZ willen weten waar de enorme hoeveelheid plastic is gebleven die sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw in zee lijkt te zijn opgelost. Bovendien willen ze bestuderen of specifieke microbenfamilies een rol spelen bij het verteren van dit plastic in zeewater. De invloed van verschillende omgevingsparameters op dit afbreekproces heeft hierbij hun speciale belangstelling.
Plastic incubators in Pianosa
“Er is geen vaccin tegen microplasticvervuiling in oceanen”, zegt dr. Helge Niemann (1976). De Duitse biogeochemist, die met baanbrekend microbieel isotopenonderzoek in 2017 een beurs van de European Research Council (ERC) verdiende en het NIOZ verkoos als zijn onderzoekslocatie, is druk met het voorbereiden van een pilot-onderzoek nabij het Italiaanse eiland Pianosa, in de Middellandse Zee. “Er is geen echt wetenschappelijk bewijs dat plastic door mariene micro-organismen kan worden afgebroken. Ik wil dat aantonen. Breekt plastic af in kleine deeltjes en lost het op, zorgt de groei van organismen er voor dat plastic afzinkt naar de oceaanbodem of wordt plastic in onze zeeën werkelijk afgebroken? ”In een zeereservaat nabij Pianosa test hij met z’n team in 2018 de nieuwste onderzoekstechnologie: een plastic-incubator die de inwerking van microbenfamilies op plasticdeeltjes op nanometerschaal vastlegt. Elke incubator wordt voorzien van een reeks wafelvormige minilabs van silicium. Hierin bevindt zich een speciaal type plastic dat is gebrandmerkt met de gemanipuleerde koolstofisotoop 13C (13C: zeven neutronen en zes protonen; in tegenstelling tot het gebruikelijke 12C dat slechts uit zes neutronen en zes protonen bestaat) en is voorzien van een ragfijn membraan dat alleen microben doorlaat. De incubators worden op verschillende hoogtes in de waterkolom gebracht. Het is een prelude voor zijn wereldwijde onderzoek, een expeditie over de wereldzeeën met het Nederlandse onderzoeksschip Pelagia en een Noors onderzoeksschip die eind 2018 begint. Het onderzoeksteam van Niemann plaatst tevens incubators in de Rijn-Maas-Scheldedelta, in de Waddenzee en in de Noordzee.
Niemann wil niet alleen afbraakeigenschappen van bacteriën, schimmels en eencelligen identificeren, maar tevens doordringen in de biochemische kern van deze organismen. “Een microbe groeit in de loop van de tijd, vermenigvuldigt zich, vormt nieuw DNA, lipiden en eiwitten en creëert nieuw organisch materiaal. Een aanzienlijk deel van de biomassa van de microben, die op 13C-plastic groeien, zal deze isotoop bevatten en is na enige tijd te traceren. Op plastic waar zich microben bevinden, kunnen we de samenstelling van deze 13C-micro-organismen meten en wordt het mogelijk microben met en zonder 13C te scheiden. Je zou kunnen zeggen dat ik “deze jongens” op heterdaad probeer te betrappen. Door te kijken naar de productiesnelheid van hun restproducten – 13C-CO2 of 13C-methaan – kan ik de zogenaamde ‘kinetica’ van deze microbiële soorten in kaart brengen. Het stelt ons in staat te berekenen of het ontbrekende plastic mogelijk door microben is afgebroken. Dat is een vrij nieuw gegeven. Bovendien ontdekken we zo wellicht dat de afbraaksnelheid van plastic zo laag is dat het ontbrekende plastic zich naar elders heeft verplaatst.”
Plastisphere
De Portugees-Amerikaanse microbiologe en moleculair ecologe dr. Linda Amaral-Zettler (1968) trad in 2017 in dienst van het NIOZ na verschillende jaren als programmamanager voor het Amerikaanse instituut International Census of Marine Microbes (ICoMM, 2004-2010) te werken. Hier was ze lid van een Amerikaans-Nederlands onderzoeksteam dat – als eerste ter wereld – microbiële soorten in de oceaan telde. Sindsdien onderzoekt haar lab microben op plastic. Afgelopen zomer onderzocht zij met haar team concentraties microplastics en microbiële gemeenschappen gedurende een NIOZ-expeditie op de Middellandse Zee. “De watermonsters die we onderweg hebben genomen met een Manta Trawl, een netsysteem voor onderzoek van de wateroppervlakte, zijn geprepareerd voor DNA-extractie. Deze preparaten hebben we met geavanceerde elektronenmicroscopen in het lab gevisualiseerd. In de monsters ontdekten we veel kleine plasticfragmenten die waren bedekt met een biofilm. Die vondst komt overeen met eerdere waarnemingen. Ik noem dat de ‘Plastisphere’: een dun laagje leven dat zich hecht op het plasticoppervlak.”
In haar onderzoek bij het NIOZ richt Amaral-Zettler zich vooral op de diversiteit, de functie en het lot van microbiologische gemeenschappen op microplastics en hoe ze biologisch afbreekbare plastics afbreken. “We weten dat microben verantwoordelijk zijn voor grote biogeochemische cycli in de oceanen en dat dit uiteindelijk een enorme impact heeft op de gezondheid van onze zeeën en op het klimaat. Op de een of andere manier verstoort ons plastic afval in oceanen dat systeem. Het bewustzijn groeit dat microplastics een groot probleem voor oceaansystemen kunnen vormen. We willen beter begrijpen waar en hoe plastic de dynamiek van microbiële habitats beïnvloedt. Welke microben vestigen zich op het plastic? Wat doen microben met de giftige stoffen in plastics, maar ook met metalen die op drijfplastic terechtkomen? Breken ze stoffen af? Is het restproduct beter of slechter voor het zeemilieu? Dat zijn fundamentele vragen die ik met mijn onderzoek wil beantwoorden, een speurtocht waarin ik mijzelf en anderen uitdaag nieuwe, fundamentele onderzoeksstandaards te ontwikkelen. Voor mij is dat de kern. Daarom ben ik wetenschapper geworden. Vergeet niet dat elk stuk plastic in de oceaan zijn eigen geschiedenis heeft. Als we microplastic in een net vangen op zee, betekent dat niet dat het plastic uit dezelfde bron komt, dezelfde samenstelling of dezelfde leeftijd heeft. Plastic is geen monolithische reus, heeft niet één gezicht. Als je naar de waterkolom kijkt, zie je die verschillen niet. Maar ze zijn er wel. Waarom gedragen microben zich zo anders? Ze zitten in dezelfde beker water, toch!? Het antwoord is ‘nee’! En daarbij komt nog iets anders. Als microben plastic afbreken en er in dat proces pathogenen of schadelijke algensoorten ontstaan, hoe bezorgd moeten we dan zijn over het transport van deze organismen via de zee? Daar wil ik kennis over ontwikkelen.”
Speurtocht met urgentie
“Ik denk dat je het NIOZ wereldwijd wel een van de leidende mariene onderzoeksinstituten op het gebied van plastic kunt noemen,” zegt Niemann. Amaral-Zettler, die de collegiale en interdisciplinaire Nederlandse onderzoekscultuur een verademing noemt, bevestigt zijn definitie: “Het NIOZ is een geweldige plek om onderzoek te doen. Moderne labs, sterke academische netwerken en een eigen, zeegaand onderzoeksschip. Dan tel je mee. Samen met onze onderzoeksgroepen creëert dat kritieke massa om op het gebied van marien onderzoek naar microplastics wereldwijd verschil te maken. Natuurlijk is het onderzoek van Helge naar koolstofverbindingen in micro-organismen een belangrijke richting in het onderzoek naar microplastics, zelfs wereldwijd. Mijn onderzoeksgroep richt zich ook op plastics die uit fossiele grondstoffen – aardolie – worden geproduceerd, maar heeft daarnaast bijzondere aandacht voor biosplastics. Op dit moment bedraagt de biologische plasticproductie, waar ik me in marien onderzoek nadrukkelijk op richt, wereldwijd ongeveer 1% van de jaarlijkse plasticproductie (totaal 320 miljoen ton plastic per jaar, bron: European Bioplastics, red.). Maar dat kan – en moet – snel veranderen. Die noodzaak geeft extra waarde aan ons onderzoek, mensen hopen op de ultieme oplossing, maar toch blijft de fundamentele vraag hoe micro-organismen op plastics reageren leidend.”
Niemann: “Er is natuurlijk urgentie. We weten van een ongelofelijke hoeveelheid microplastic in zee niet waar die blijft. Ik geloof erin dat we met onze onderzoeksopzet in staat zijn oceaanmicroben genetisch in kaart te brengen die in deze verdwijning een rol spelen. Als ik verder kijk, in het DNA van de microben, kunnen we met behulp van de koolstofisotoop 13C-methode, enzymen gaan identificeren en hun rol in het afbraakproces van kunststoffen vastleggen. We kunnen zelfs kijken naar het type genenexpressies en zo inzichten vergaren over hoe microben plastic afbreken; of ze het als grondstof gebruiken en of de micro-organismen plastic benutten voor het aanmaken van eigen biomoleculen. Die speurtocht maakt voor mij de mariene wetenschap aantrekkelijk – een Gesammtkunstwerkbouwen. De rol van microben is hierbij natuurlijk uniek. Micro-organismen zijn de heersers van onze planeet. Zij bepalen de circulatie van de elementen. Zonder hen geen zuurstof in de atmosfeer en geen voedselstromen in onze oceanen.” Amaral-Zettler: “Mensen denken bij het woord ‘microben’ soms in termen van ziektekiemen, iets slechts. Maar microben zijn fascinerend en onlosmakelijk verbonden met de gezondheid van de aarde en ons bestaan.”
De komende maanden, tijdens een gezamenlijke NIOZ-expeditie in de Zuid Atlantische Oceaan, bezoeken de onderzoekers samen een van de subtropische, ringvormige zeestromen waar zich veel plastic verzamelt. Niemann: “Tijdens deze oceaantrip werken we naast elkaar aan onze onderzoekslijnen, vanuit meerdere perspectieven. Microplastic staat centraal. Daar begint ons veldonderzoek echt.” Amaral-Zettler: “Hoe welkom het opruimen van drijfplastic ook is, op oceanografische schaal is het een drukverbandje. Microplastics zorgen voor de grootste plasticvervuiling in de oceaan. We moeten de omvang en de afbreektijd van die onzichtbare vijand bepalen. Vandaag, niet morgen.”