Chemische fossielen zijn verbindingen die wat kunnen vertellen over de tijd waarin het micro-organisme leefde dat ze maakte. Het zijn de enige overgebleven resten van bacteriën, algen en archaea van miljoenen jaren geleden. Hoewel hij samen met klimatologen belangrijke conclusies trekt over het klimaat in het heden, verleden en toekomst met behulp van deze chemische fossielen, is NIOZ-onderzoeker en Utrechtse hoogleraar Jaap Sinninghe Damsté vooral als een detective op zoek naar interessante moleculen, veelal lipiden uit het celmembraan.
Sub-tropische condities in de ijszee
Een van de doelen van het onderzoek is een reconstructie van het klimaat op aarde. 'Micro-organismen passen hun lipiden aan allerlei milieufactoren aan, zoals temperatuur en zuurgraad. Omdat je deze stoffen nog in sedimenten van miljoenen jaren oud terugvindt levert dat veel informatie op over de toen heersende omstandigheden,' aldus de onderzoeker. Sinninghe Damsté en zijn team ontwikkelden daarvoor onder andere een nieuwe zogeheten paleothermometer om de temperatuur van het zeewater in de tijd van de dinosaurussen te bepalen.
De basis van de paleothermometer zijn membraanlipiden waarin de estergroep vervangen is door een veel stabielere ether groep. Daarnaast vormen deze tetaethers een mono- in plaats van een bilaag zoals in gewone membraanlipiden. Dat maakt ze met name geschikt voor membranen van micro-organismen die bij hoge temperaturen leven. Deze archaea passen zich verder aan door cyclopentaanringen in de structuur te bouwen. Hoe meer ringen, hoe hoger de temperatuur van het water waar de archaea in leefden. Door met behulp van een nieuwe HPLC-MS analysemethode de verhouding te bepalen van de tetraethers met nul tot vier vijfringen kan de temperatuur van het water waarin de archaea leefden nauwkeurig worden bepaald.
De onderzoekers bestudeerden tetraethers uit een boorkern van de Noordelijke IJszee en konden met behulp van de paleothermometer vaststellen dat het water van deze zee 55 miljoen jaar geleden een temperatuur van ruim boven de 20°C had. Nu ligt die net boven het vriespunt.
Laddermolecuul
Maar Damsté gebruikt chemische stoffen niet alleen om terug in de tijd te kijken, maar ook om factoren te onderzoeken die het klimaat nu bepalen, zoals de koolstof- en de stikstofcyclus. 'Mijn mooiste chemische ontdekking is wel die van ladderaan,' zegt Sinninghe Damsté. 'Dat blijkt tegen de verwachting in een relatief stabiele verbinding.' De onderzoeker ontdekte ladderaan bij toeval bij de analyse van een bacterie uit afvalwater. Deze anammoxbacterie zet onder anaërobe condities ammoniak en nitriet om in stikstofgas. Een membraan in de cel bevat ladderaan, waarschijnlijk om de cel te beschermen tegen het reactieproduct hydrazine. 'De anammoxbacterie moest dus ook ergens in de natuur voorkomen, maar we wisten niet waar,' zegt Sinninghe Damsté. 'We hebben ladderaan gebruikt om dat te onderzoeken. De eerste plaats waar we ze vonden is in het diepe water van de Zwarte Zee.'
Daarvoor werd een monster van duizend liter water van tachtig meter diep gefilterd en het sediment geanalyseerd met GC-MS. Veel van deze bacterie zit er niet in het water, in een monster zit slechts enkele nanogrammen ladderaan. 'De bacterie groeit dus niet heel hard, maar is wel verantwoordelijk voor het verwijderen van het meeste ammoniak en nitriet.'
De resultaten van dit onderzoek hebben grote consequenties voor de stikstofcyclus, zegt de onderzoeker. 'Anorganisch stikstof is belangrijk voor fotosynthetische organismen. Zonder kunnen ze niet groeien. Nu blijkt er een proces te zijn waarbij stikstof ontsnapt als N2. Inmiddels schat men dat de anammoxbacterie verantwoordelijk is voor zo'n vijftig procent van het stikstofverlies. Dat proces was nog niet goed in beeld.'
Dit artikel is gepubliceerd in C2W16 - 26 september 2014.
