Limitação de ferro no crescimento de algas pode impedir o reflorestamento oceânico

Biologia das Comunicações volume 6, Número do artigo: 607 (2023) Citar este artigo

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A remoção de dióxido de carbono (CDR) e a redução de emissões são essenciais para aliviar as mudanças climáticas. O reflorestamento de macroalgas oceânicas (OMA) é um método de CDR que já está passando por testes de campo, onde as algas costeiras, em jangadas, são propositalmente cultivadas em escala offshore. O suprimento de ferro dissolvido (dFe) geralmente limita o crescimento do fitoplâncton oceânico, no entanto, esse fator potencialmente limitante da taxa está sendo negligenciado nas discussões do OMA. Aqui, determinamos as concentrações de dFe limitantes para o crescimento e as principais funções fisiológicas de uma espécie representativa de algas marinhas, Macrocystis pyrifera, considerada uma candidata promissora para OMA. Adições de dFe à água do mar oceânica variando de 0,01-20,2 nM Fe' ‒ Fe' sendo a soma de espécies inorgânicas de Fe(III) dissolvidas ‒ resultam em funções fisiológicas prejudicadas e mortalidade de algas marinhas. O crescimento de algas marinhas não pode ser sustentado em concentrações oceânicas de dFe, que são 1.000 vezes menores do que as exigidas por M. pyrifera. OMA pode exigir perturbação adicional das águas offshore por meio de fertilização dFe.

O reflorestamento de macroalgas oceânicas (OMA) é uma das mais de 30 técnicas marinhas propostas como candidatos adequados para a remoção de dióxido de carbono (CO2) para mitigar as mudanças climáticas causadas pelo aumento dos níveis atmosféricos de CO21,2. A OMA baseia-se na introdução proposital de kelps (macroalgas marinhas ou algas marinhas, ordem Laminariales) no oceano aberto, onde crescem em fazendas de algas estacionárias ou transitam no mar ligadas a estruturas semelhantes a jangadas1,3. Kelps formam densos leitos subaquáticos ('florestas') em ecossistemas marinhos costeiros temperados, fornecendo habitat e alimento para níveis tróficos mais altos e serviços essenciais de ciclagem de nitrogênio e carbono. Eles absorvem CO2 da água do mar e o 'fixam' em matéria orgânica por meio da fotossíntese, mas é difícil quantificar se esse processo leva ou não ao sequestro de carbono (isto é, armazenamento seguro > 100 anos2,4). Independentemente disso, os proponentes da OMA consideram que o aumento da biomassa de algas costeiras pela colonização em oceano aberto aumentará o sequestro de carbono1,5. Pesquisas anteriores de OMA determinaram regiões geográficas com concentrações suficientes de macronutrientes para sustentar o crescimento de algas marinhas6. No entanto, traços de metais essenciais para a fotossíntese, como dFe, limitam a produção primária de fitoplâncton em grande parte do oceano aberto7 e têm sido uma grande omissão no debate da OMA.

O ferro é o oligoelemento mais estudado no oceano com uma influência significativa no funcionamento do ciclo biológico do carbono devido ao seu papel crucial na definição das taxas de atividade enzimática da fotossíntese das algas e absorção de nitrogênio8,9. As concentrações de dFe usadas neste estudo são expressas como Fe', que é a soma das espécies inorgânicas de Fe(III) dissolvidas, um proxy que melhor imita a biodisponibilidade do dFe. As concentrações de dFe variam com o local e a profundidade, e a disponibilidade de dFe limita a produtividade primária em um terço do oceano global10. Essa escassez resulta em áreas denominadas de alto teor de nutrientes e baixo teor de clorofila (HNLC), onde os estoques de macronutrientes, como o nitrato (NO3−), só podem ser parcialmente utilizados7,11,12. No oceano costeiro, no entanto, rios, entradas atmosféricas e sedimentos são fontes significativas e frequentemente contínuas de dFe, com concentrações variando de ~0,1 a ~500 nM, dependendo das entradas fluviais13,14. As águas costeiras (definidas aqui como águas que se estendem desde a costa até a borda externa da margem continental) também têm uma concentração mais alta de dFe biodisponível em comparação com o oceano aberto devido ao aumento das concentrações de ligantes de ligação a dFe, como ácidos húmicos e fúlvicos de sedimentos margens e nascentes15,16. Consequentemente, as algas que vivem nesta região costeira são tipicamente dFe-repletas17,18.

Para algas marinhas, o teor de ferro nos tecidos e sua relação com o transporte de elétrons e o teor de pigmentos está bem documentado para muitas espécies11,17,19,20,21,22,23,24; no entanto, o papel das concentrações de dFe na água do mar para as principais funções fisiológicas das algas - crescimento, produção de carbono orgânico dissolvido (DOC), fotossíntese e metabolismo do nitrogênio - não foi estudado anteriormente e é uma lacuna de conhecimento nas discussões da OMA8,11. No entanto, provavelmente existem muitos paralelos com o papel multifacetado que o ferro desempenha em outros organismos fotossintéticos, incluindo o fitoplâncton oceânico18,25. Por exemplo, até metade do dFe em fotoautotróficos é usado para fotossíntese - principalmente transporte de elétrons entre o fotossistema II (PSII) e o fotossistema I (PSI)9,26. dFe é essencial para a síntese de pigmentos de algas, respiração e assimilação de nitrogênio com redutases de NO3− e nitrito (NO2−) contendo grupos heme ricos em ferro9,17,26,27,28. O efeito cumulativo da regulação mediada pelo ferro dessas vias fisiológicas acaba por controlar o crescimento do fitoplâncton. Para o fitoplâncton oceânico, a concentração de dFe regula a liberação de DOC, um importante reservatório global de carbono (660 Pg C por ano)29. A produção de fitoplâncton DOC aumenta com a limitação do dFe como um mecanismo de dissipação de energia ligado à disponibilidade de nutrientes30. Claramente, dFe tem o potencial de exercer grandes influências em várias vias fisiológicas de algas marinhas.