La limitazione del ferro nella crescita delle alghe può impedire il rimboschimento dell'oceano

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 607 (2023) Citare questo articolo

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La rimozione dell’anidride carbonica (CDR) e la riduzione delle emissioni sono essenziali per alleviare il cambiamento climatico. Il rimboschimento di macroalghe oceaniche (OMA) è un metodo CDR già in fase di sperimentazione sul campo in cui le alghe vicine alla costa, su zattere, vengono appositamente coltivate offshore su larga scala. L’offerta di ferro disciolto (dFe) spesso limita la crescita del fitoplancton oceanico, tuttavia questo fattore potenzialmente limitante viene trascurato nelle discussioni sull’OMA. Qui, determiniamo le concentrazioni limitanti di dFe per la crescita e le funzioni fisiologiche chiave di una specie rappresentativa di alghe, Macrocystis pyrifera, considerata un candidato promettente per OMA. Le aggiunte di dFe all'acqua di mare oceanica comprese tra 0,01 e 20,2 nM Fe′ ‒ Fe′ è la somma delle specie Fe(III) inorganiche disciolte ‒ determinano funzioni fisiologiche compromesse e mortalità delle alghe. La crescita delle alghe non può essere sostenuta a concentrazioni di dFe oceanico, che sono 1000 volte inferiori a quelle richieste da M. pyrifera. L'OMA potrebbe richiedere un'ulteriore perturbazione delle acque al largo tramite la fertilizzazione con dFe.

Il rimboschimento di macroalghe oceaniche (OMA) è una delle oltre 30 tecniche marine proposte come candidati idonei per la rimozione dell'anidride carbonica (CO2) per mitigare il cambiamento climatico causato dall'aumento dei livelli di CO2 atmosferici1,2. L'OMA si basa sull'introduzione mirata di alghe (macroalghe marine o alghe marine, ordine Laminariales) nell'oceano aperto, dove crescono in allevamenti stazionari di alghe o transitano al largo attaccate a strutture simili a zattere1,3. Le alghe formano densi letti sottomarini ("foreste") negli ecosistemi marini temperati e costieri, fornendo habitat e cibo per livelli trofici più elevati e servizi essenziali per il riciclaggio dell'azoto e del carbonio. Assorbono CO2 dall'acqua di mare e la "fissano" nella materia organica attraverso la fotosintesi, ma è difficile quantificare se questo processo porti o meno al sequestro del carbonio (ovvero, allo stoccaggio sicuro > 100 anni2,4). Indipendentemente da ciò, i sostenitori dell’OMA ritengono che l’aumento della biomassa delle alghe marine vicine alla costa mediante la colonizzazione in oceano aperto aumenterà il sequestro del carbonio1,5. Precedenti ricerche dell'OMA hanno determinato regioni geografiche con concentrazioni di macronutrienti sufficienti a sostenere la crescita delle alghe6. Tuttavia, i metalli in tracce essenziali per la fotosintesi, come il dFe, limitano la produzione primaria di fitoplancton in gran parte dell’oceano aperto7 e hanno rappresentato una grave omissione nel dibattito sull’OMA.

Il ferro è l'oligoelemento più studiato nell'oceano con un'influenza significativa sul funzionamento del ciclo biologico del carbonio grazie al suo ruolo cruciale nel fissare i tassi di attività enzimatica della fotosintesi delle alghe e nell'assorbimento di azoto8,9. Le concentrazioni di dFe utilizzate in questo studio sono espresse come Fe′, che è la somma delle specie Fe(III) inorganiche disciolte, un proxy che imita al meglio la biodisponibilità del dFe. Le concentrazioni di dFe variano a seconda del luogo e della profondità e la disponibilità di dFe limita la produttività primaria in un terzo degli oceani globali10. Questa scarsità si traduce in aree denominate ad alto contenuto di nutrienti e a basso contenuto di clorofilla (HNLC) dove gli inventari di macronutrienti come il nitrato (NO3−) possono essere utilizzati solo parzialmente7,11,12. Nell'oceano costiero, tuttavia, i fiumi, gli input atmosferici e i sedimenti sono fonti significative, e spesso continue, di dFe, con concentrazioni che vanno da ~0,1 a ~500 nM a seconda degli input fluviali13,14. Le acque costiere (qui definite come acque che si estendono dalla costa fino al bordo esterno del margine continentale) hanno anche una maggiore concentrazione di dFe biodisponibile rispetto all'oceano aperto a causa delle maggiori concentrazioni di ligandi leganti il ​​dFe, come gli acidi umici e fulvici dei sedimenti margini e sorgenti fluviali15,16. Di conseguenza, le alghe che vivono in questa regione costiera sono tipicamente ricche di dFe17,18.

Per le alghe marine, il contenuto di ferro nei tessuti e la sua relazione con il trasporto di elettroni e il contenuto di pigmenti è ben documentato per molte specie11,17,19,20,21,22,23,24; tuttavia, il ruolo delle concentrazioni di dFe nell'acqua di mare per le principali funzioni fisiologiche delle alghe marine - crescita, produzione di carbonio organico disciolto (DOC), fotosintesi e metabolismo dell'azoto - non è stato studiato in precedenza e rappresenta una lacuna di conoscenza nelle discussioni sull'OMA8,11. Tuttavia, esistono probabilmente molti parallelismi con il ruolo multiforme svolto dal ferro in altri organismi fotosintetici, compreso il fitoplancton oceanico18,25. Ad esempio, fino alla metà del dFe nei fotoautotrofi viene utilizzato per la fotosintesi, principalmente per il trasporto di elettroni tra il fotosistema II (PSII) e il fotosistema I (PSI)9,26. Il dFe è essenziale per la sintesi dei pigmenti algali, la respirazione e l'assimilazione dell'azoto con reduttasi sia NO3− che nitrito (NO2−) contenenti gruppi eme ricchi di ferro9,17,26,27,28. L’effetto cumulativo della regolazione mediata dal ferro di questi percorsi fisiologici controlla in definitiva la crescita del fitoplancton. Per il fitoplancton oceanico, la concentrazione di dFe regola il rilascio di DOC, un importante pool di carbonio globale (660 Pg C all'anno)29. La produzione di DOC da fitoplancton aumenta con la limitazione del dFe come meccanismo di dissipazione di energia legato alla disponibilità di nutrienti30. Chiaramente, il dFe ha il potenziale di esercitare importanti influenze su molteplici percorsi fisiologici delle alghe.