Terwijl het nieuwe onderzoeksschip Anna Weber-van Bosse van Kaapverdië naar IJsland vaart, proberen onderzoekers te begrijpen hoe virussen de oceaan sturen. Niet alleen als ziekteverwekkers, maar als krachten die bepalen of koolstof in de bovenste waterlagen wordt gegeten of gerecycled, of juist naar de diepzee verdwijnt.
Onderzoekers aan boord houden tijdens de expeditie ook een liveblog bij op de website van Bionieuws.
Wie aan virussen denkt, denkt meestal aan ziekte. Aan verkoudheid, pandemieën, of hooguit aan bacteriën die het zwaar te verduren krijgen. Maar ze spelen ook een heel ander spel: naast vernietigers zijn ze ook bouwmeesters van ecosystemen. Zo infecteren virussen in de oceaan elke dag ontelbare algen – de eencellige primaire producenten die de basis vormen van het mariene voedselweb. En die infecties zijn massaal: in productieve periodes kan virale lysis verantwoordelijk zijn voor meer dan de helft van het verlies van algenbiomassa (The ISME Journal, 2015; Nature, 2021).
Wanneer een virus een algencel openbreekt, komen niet alleen nieuwe virussen vrij, maar ook de resterende celinhoud van de algengastheer – ‘mini-lijkjes’, zoals marien microbioloog Corina Brussaard van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) en de Universiteit van Amsterdam (UvA) het omschrijft. Die voeden direct andere micro-organismen. Zo sturen virussen, onzichtbaar maar alomtegenwoordig, de route van energie en materie door de oceaan.
Wat er daarna gebeurt, bepaalt waar voedingsstoffen en koolstof terechtkomen. Gaan ze de voedselketen in, richting vissen en uiteindelijk hogere trofische niveaus? Of blijven ze hangen in een onzichtbare microbiële kringloop?
Precies die processen staan centraal tijdens een NIOZ-expeditie die van 1 tot 30 mei van Kaapverdië naar IJsland vaart. Aan boord van het nieuwe onderzoeksschip RV Anna Weber-van Bosse – de eerste expeditie sinds de ingebruikname van de vernieuwde NIOZ-vloot (zie Bionieuws, maart) – onderzoeken Brussaard en collega’s hoe virusinfecties de werking van mariene ecosystemen beïnvloeden, en wat dat betekent voor de koolstofcyclus. ‘We weten onderhand dat virussen een belangrijke ecologische niche vervullen’, zegt Brussaard. ‘Maar hoe dat precies uitwerkt op ecosysteemniveau, laat zich nog lastig voorspellen.’
Het klassieke beeld
Wat er met algen gebeurt nadat ze zich hebben vermenigvuldigd, bepaalt in grote mate hoe de oceaan functioneert. In het klassieke beeld worden algencellen – waaronder cyanobacteriën, kleine flagellaten, coccolithoforen, diatomeeën en dinoflagellaten – opgegeten door kleine grazers, die op hun beurt weer voedsel zijn voor grotere organismen. Zo beweegt koolstof zich stap voor stap door het voedselweb, van micro-organismen naar vissen.
Virusinfecties zorgen ervoor dat die route heel anders kan verlopen. ‘Als een virus een eencellige gastheercel infecteert, gaat die cel uiteindelijk kapot, waardoor je geen overdracht krijgt naar een volgende schakel in de voedselketen’, vertelt Brussaard. ‘De vrijgekomen celinhoud komt direct beschikbaar voor bacteriën.’ Dat proces staat bekend als de viral shunt: een omleiding in het systeem waarbij energie en materiaal niet naar de klassieke voedselketen gaan, maar worden teruggevoerd naar het microbiële netwerk. Virussen worden daarbij vaak gezien als aandrijvers van recycling die ervoor zorgen dat koolstof en voedingsstoffen in de bovenste waterlagen blijven circuleren. Die sterfte van geïnfecteerde algen zorgt er ook voor dat andere algen – vaak gelimiteerd door gebrek aan voedingszouten zoals opgeloste stikstof, fosfaat en ijzer – kunnen blijven groeien.
Maar volgens Brussaard is er meer aan de hand. ‘Virussen kunnen zowel bijdragen aan recycling als aan export.’ In de afgelopen jaren zijn er indicaties dat virusinfecties niet alleen leiden tot het vrijkomen van organisch materiaal, maar ook kunnen bijdragen aan de vorming van plakkerige deeltjes. Daarbij spelen zogeheten transparante exopolymeren een rol: stoffen die cellen laten samenklonteren tot grotere aggregaten die naar beneden zinken. Zo kan een tweede route voor koolstof ontstaan: niet terug het microbiële netwerk in, maar naar de diepzee, waar het voor langere tijd kan worden opgeslagen (Annual Review of Marine Science, januarinummer 2026).
Experimenteel werk met onder meer de mariene alg Micromonas pusilla laat zien dat beide processen tegelijk kunnen optreden (Biogeochemistry, 2013). Of virussen netto bijdragen aan recycling of juist aan export, hangt af van de ecologische omstandigheden, maar waarschijnlijk ook de algensoort.
Lastig te voorspellen
Welke van die twee routes domineert, blijkt daarom nog lastig te voorspellen. Factoren als temperatuur, licht en vooral de beschikbaarheid van nutriënten beïnvloeden zowel de algen, de virussen die hen infecteren als de formatie van aggregaten. ‘We kunnen nog niet goed voorspellen wat het netto-effect is’, aldus Brussaard.
Volgens aquatisch ecoloog Dedmer van de Waal (NIOO-KNAW en UvA), die ook deelneemt aan de expeditie, ligt een deel van het antwoord ook bij de alg zelf. ‘Voor het begrijpen van de invloed van virusinfecties op de koolstofcyclus moeten we zowel naar de eigenschappen van het virus als die van de gastheer kijken.’
Van de Waal richt zich op de fysiologie van algen, en in het bijzonder op hoe die verandert onder verschillende omstandigheden. Algen passen hun interne samenstelling voortdurend aan, afhankelijk van de beschikbaarheid van nutriënten zoals stikstof en fosfor. ‘De verhouding tussen koolstof, stikstof en fosfor in algen verschuift als de nutriëntconcentraties in het water veranderen en dat heeft directe gevolgen voor hoe goed een virus zich kan vermenigvuldigen.’
Virussen zijn afhankelijk van de bouwstenen in de cel die ze infecteren. ‘Als die verhouding niet klopt, dan krijg je problemen met de virusproductie’, zegt Van de Waal. ‘Dan verloopt een infectie minder efficiënt, of komt die zelfs niet goed op gang.’
Grootschalige sterfte versus recycling
Dat effect wordt beschreven als een stoichiometrische mismatch: een slechte afstemming tussen wat het virus nodig heeft en wat de alg kan leveren (Oikos, 2021). Zo wordt de impact van virussen sterk afhankelijk van de omgeving – en daarmee ook hun effect op koolstofstromen. Of een infectie leidt tot grootschalige sterfte en recycling, of juist tot processen die koolstof laten zinken, hangt mede af van de chemische toestand van het ecosysteem.
Die afhankelijkheid wordt waarschijnlijk belangrijker naarmate de oceaan verandert. Door opwarming raakt het oppervlak van de oceaan sterker gestratificeerd, waardoor minder nutriënten vanuit diepere lagen naar boven mengen. Dat leidt onder andere tot algen met andere C:N:P-verhoudingen en mogelijk dus ook tot andere virusdynamiek.
Natuurlijke ecosystemen zijn complexer
Veel van deze inzichten komen uit experimenten met afzonderlijke soorten. Naast Micromonas en Emiliania huxleyi gaat het bijvoorbeeld om kolonievormende algen zoals Phaeocystis, die in kustwateren grote bloeien kunnen vormen. Maar natuurlijke ecosystemen zijn complexer. In één watermonster komen vele soorten algen voor, die elk anders reageren op infectie.
Virussen kunnen bovendien bijdragen aan biodiversiteit, doordat ze algenbloei kunnen beëindigen of temperen of juist dominante soorten onder druk zetten – een mechanisme dat bekendstaat als kill the winner. Zo kunnen ze, zoals bij bloeien van Emiliania huxleyi, hele populaties in korte tijd laten instorten, met grote gevolgen voor de koolstofcyclus (Plant Viruses, 2008).
‘Het probleem is dat we nog te weinig velddata hebben’, zegt Brussaard. ‘We weten dat virussen een grote rol kunnen spelen, maar hoe dat zich vertaalt naar het ecosysteem als geheel, dat is moeilijk te kwantificeren.’
Juist daarom trekken de biologen de oceaan op. Tijdens de huidige expeditie volgen ze een natuurlijke gradiënt van warme, relatief nutriëntarme wateren bij Kaapverdië naar koelere, nutriëntrijkere gebieden richting IJsland. Onderweg brengen de onderzoekers in kaart welke virussen en planktonsoorten aanwezig zijn en hoe die samenstelling verandert langs die route. Tevens meten ze de fysiologie, productie en metabole samenstelling van de algen, en de sterftesnelheden door virussen en begrazing. Om te achterhalen welke algensoorten vooral bijdragen tot verhoogde sedimentatie onderzoeken ze ook de hoeveelheid transparante exopolymeren.
Flessen sluiten
De watermonsters worden genomen met zogeheten CTD-frames: sensoren met erom heen metalen constructies met een reeks flessen die op verschillende dieptes automatisch gesloten kunnen worden. De sensoren meten op de weg naar beneden onder andere temperatuur, zoutgehalte, dichtheid, chlorofylconcentraties, en op basis van dat profiel wordt besloten op welke dieptes flessen gesloten worden. Die watermonsters worden deels verwerkt en opgeslagen, en deels direct aan boord geanalyseerd en gebruikt voor experimenten.
‘Wat vaak ontbreekt, is de koppeling tussen fysiologie en ecosysteemprocessen’, zegt Brussaard. ‘We weten aardig wat over individuele soorten, en ook dat virussen invloed hebben op gemeenschappen. Maar die twee niveaus zijn nog onvoldoende met elkaar verbonden.’
De metingen moeten vooral helpen om beter te begrijpen onder welke omstandigheden virussen de richting van koolstofstromen bepalen – wanneer ze koolstof vasthouden in de bovenste lagen van de oceaan, en wanneer ze juist bijdragen aan het transport naar de diepzee.
Virussen verdienen plek in modellen
Die vraag is niet alleen relevant voor mariene ecologen. Algen spelen een sleutelrol in de opname van CO₂ uit de atmosfeer, en kleine verschuivingen in hoe koolstof door het systeem beweegt, kunnen op grotere schaal doorwerken. Toch ontbreken pathogenen – waaronder virussen – in veel modellen nog grotendeels (Trends in Ecology & Evolution, 2020).
‘Dat is eigenlijk opmerkelijk,’ zegt Brussaard. ‘Als virussen verantwoordelijk zijn voor een groot deel van de sterfte van algen, dan verdienen ze ook een duidelijke plek in hoe we die systemen beschrijven.’
De vraag is vooral hoe consistent dat effect is en onder welke omstandigheden het omslaat. Zeker in een veranderend klimaat, waarin temperatuur, stratificatie en de beschikbaarheid van nutriënten verschuiven, kan dat verschil bepalend zijn voor hoeveel koolstof de oceaan uiteindelijk opslaat.
‘Het is geen simpel systeem,’ zegt Brussaard. ‘Alles hangt met elkaar samen.’
Waarom voedingsstoffen het verschil maken
Algen bestaan onder andere uit een mix van koolstof (C), stikstof (N) en fosfor (P). Die verhouding – bekend als de C:N:P-ratio – is niet constant, maar verandert afhankelijk van de beschikbaarheid van nutriënten in het water. In voedselrijke omstandigheden bevatten cellen relatief meer stikstof en fosfor; bij schaarste neemt het aandeel koolstof toe.
Voor virussen is die verhouding cruciaal. Om nieuwe virusdeeltjes te maken, zijn ze afhankelijk van de bouwstenen in de gastheercel. Als stikstof of fosfor schaars is, kan de virusproductie vertragen of verminderen.
Dat betekent dat de effectiviteit van virusinfecties niet alleen afhangt van het virus zelf, maar ook van de metabole activiteit van de alg. Die wisselwerking wordt aangeduid als ecologische stoichiometrie en bepaalt dus mede of virussen een groot effect hebben op het ecosysteem.
Van watermonster tot experiment
Onderzoekers nemen tijdens de expeditie watermonsters op verschillende dieptes, met zogeheten CTD-frames: metalen constructies met flessen die door middel van een elektronische trigger sluiten op gewenste dieptes. Zo worden fysische en chemische omstandigheden direct gekoppeld aan plankton en virussen.
Cruciaal is dat die monsters meteen aan boord worden geanalyseerd en gebruikt voor experimenten. Veel processen, zoals de fysiologie van de algen, virusinfecties en de afbraak van cellen, veranderen snel zodra water uit de oceaan wordt gehaald. Alleen door met vers materiaal te werken, is goed vast te stellen wat er in de oceaan zelf gebeurt.
Onderzoekers voegen bijvoorbeeld verschillende nutriënten toe, of passen de temperatuur aan, om te zien hoe algen en virussen reageren. Door veldmetingen en experimenten te combineren, proberen ze te achterhalen onder welke omstandigheden virusinfecties leiden tot recycling van koolstof en wanneer juist tot zinken.
