Biogenic and non-biogenic Si pools in terrestrial ecosystems: results from a novel analysis method.

Datum: 9 maart 2015

Locatie: Campus Groenenborger - Lokaal V0.08 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 15 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Biologie

Promovendus: Ana Lucia BARAO

Promotor: Patrick Meire & Eric Struyf

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Ana Lucia BARAO - Departement Biologie



Abstract

Silicium (Si) is een chemisch element dat het overgrote deel uitmaakt van de silikaatmineralen die de aardkorst vormen. De langdurige interactie van deze mineralen, gedurende miljoenen jaren, met de hydrosfeer en atmosfeer, produceert Si en een hele reeks andere elementen in opgeloste vorm. Dit verweringsproces consumeert CO2.  De verwering van deze mineralen ligt ook aan de basis van de export van opgelost Si (DSi) naar de kustzone en de oceaan. Hier wordt dit DSi opgenomen door diatomeeën, die er hun frustule mee opbouwen, opgebouwd uit biogeen Si (BSi). Diatomeeën produceren een belangrijk deel van de oceanische biomassa: hun relatief zware schildjes zijn cruciaal voor de permanente export van koolstof naar de bodem van de diepzee.

In de laatste 15 jaar is het duidelijk geworden dat biologische en bodemprocessen in terrestrische ecosystemen een belangrijke filter vormen op deze siliciumexport naar de kust. Planten nemen immers het opgelost silicium in belangrijke mate op. Het wordt opgenomen  via de wortels samen met andere elementen. Silicium wordt in de biomassa opgeslagen als zogeheten fytolieten (“plantstenen”). Nadat de plant afsterft, komen die fytolieten met het strooisel in de bodem terecht, waar ze opnieuw kunnen oplossen. Op korte biologische tijdsschalen lossen zij veel sneller op dan de minerale silikaten. Biologische en bodemvormingsprocessen vormen dan ook belangrijke sturende factoren voor de siliciumyclus, en bepalen mee de uiteindelijke export van Si naar rivieren, estuaria en de kust.

De studie van de terrestrische Si cyclus is dan ook relevant voor verschillende onderzoeksdomeinen, waaronder kustecologie, plantecologie, biogeochemie en landbouwkunde agronomie. Toch blijft de bepaling van biogeen silicium in bodem- en sedimentstalen een grote uitdaging. Dit is het gevolg van een grote hoeveelheid andere reactieve siliciumvormen (niet biogeen) die interfereren met de analyse. Enkel relatief eenvoudig minerale correcties zijn mogelijk met de meest frequent toegepaste methodes. In dit proefwerk werd een nieuwe analysemethode ontwikkeld voor terrestrische stalen, waar Si-Al(Aluminium) ratios en de reactiviteit van het silicium gebruikt worden om biogene van niet-biogene siliciumfracties te onderscheiden. De methode werd oorspronkelijk ontwikkeld voor diepzeesedimenten, maar was nog niet aangepast aan analyses met interferentie van siliciumfases gevormd door terrestrische bodemprocessen.

De analyses van biogeen silicium in Europese cultuur- en bosbodems tonen aan dat menselijk landgebruik niet enkel interfereert met de hoeveelheid biogeen silicium in bodems, maar ook een sterke invloed uitoefent op de reactiviteit van silikaatmineralen. Wanneer biogeen silicium door intense oogst wordt uitgeput, kan de verweringsgraad van de silikaten toenemen, wat zorgt voor een andere siliciumbron voor de planten. De mate waarin dit gebeurt hangt af van de intensiteit van de landbouw. Voor het eerst werd aangetoond dat ook de fractionatie van reactief silicium in bodems nauw samenhangt met menselijke landbouwactiviteiten, naast de potentiële depletie van BSi.

Daarna pasten we onze methode toe in sedimenten en bodems die onder sterke vulkanische invloed staan. BSi wordt vaak gebruikt als een maat voor de biogene productie van silicium in o.a. meren en draslanden, en dan is het cruciaal om het BSi te kunnen onderscheiden van de zeer reactieve vulkanische restproducten, zeer rijk aan silicium. Anders wordt bijvoorbeeld de inschatting van de historische diatomeeproductie nagenoeg onmogelijk. De nieuwe methode was in staat om de biogene en niet-biogene fases te onderscheiden, een serieuze stap voorwaarts voor het gebruik van BSi als paleo-ecologische parameter.

Voor verschillende toepassingen blijkt dan ook dat deze nieuwe methode een belangrijke  stap voorwaarts is, en eigenlijk onmisbaar is voor een correcte interpretatie van de siliciumcyclus in terrestrische ecosystemen. Er blijven uiteraard nog uitdagingen: de methode heeft bijvoorbeeld een veel langere analysetijd dan traditioneel gebruikte, eenvoudigere methodes. Er blijken ook fracties te bestaan die niet biogeen zijn, en toch een “biogeen” signaal geven qua reactiviteit en Si-Al verhouding. Hun identificatie zou een volgende stap zijn. Ook de reactiviteit van het silicium gedurende de extractie kan nog waardevolle informatie bevatten: toekomstig onderzoek moet nagaan of zij een maat kan zijn voor reactiviteit in natuurlijke bodems, wat onschatbare informatie zou kunnen opleveren voor biogeochemische modellen van de siliciumcyclus.