Algen in het wild

Eén zomerse duik in het buitenwater en je zwemt ze geheid tegen het lijf: algen. Het water zit er vol mee. In één theelepel water kunnen tot wel tien miljoen van deze microscopische plantjes rondzweven.

Algen worden ook wel fytoplankton genoemd, naar het Griekse phyton (plant) en planktos (zwevend). Berucht zijn vooral de giftige ‘blauwalgen’ die onze meren kunnen teisteren in warme zomers, al zijn dat strikt genomen geen algen maar bacteriën.

Algen komen niet alleen voor in onze meren maar bijna overal op onze planeet: van het kleinste tuinvijvertje tot midden in de Grote Oceaan. Ondanks hun minuscule formaat spelen algen een belangrijke rol in de chemie en ecologie van meren, zeeën en oceanen.

Net als alle planten zetten algen kooldioxide (CO₂) en water met behulp van zonlicht door fotosynthese om in koolhydraten en zuurstof. Het licht wordt ‘gevangen’ met behulp van pigmenten, waarvan het groene chlorofyl de bekendste is. Verder hebben algen ook voedingsstoffen nodig, zoals nitraat en fosfaat. Deze anorganische elementen worden met behulp van koolhydraten omgezet in organische stoffen zoals eiwitten en vetten . Algen zijn dus, net als alle planten, een belangrijke schakel aan de basis van alle voedselketens, tussen de levende en niet-levende wereld.

Vorm en inhoud

Het grootste deel van een alg bestaat uit de elementen waterstof (H) en zuurstof (O), afkomstig van het water (H₂O) in de cel. Daarna zijn koolstof © en stikstof (N) het meest voorkomend. Beide worden gebruikt voor het maken van koolhydraten en eiwitten, die essentieel zijn voor de structuur van een cel. Fosfor (P) komt vaak maar in kleine hoeveelheden voor. Toch is ook dat element essentieel voor de werking van de cel. Het is nodig om bijvoorbeeld DNA te kunnen maken. Daarnaast zijn ook bepaalde sporenelementen zoals de metalen ijzer, koper en magnesium belangrijk voor algen om te kunnen groeien.

Volgens de jongste schattingen zijn er bijna 100.000 soorten algen, met een enorme verscheidenheid in vorm, kleur en levensstijl. Algen kunnen bijvoorbeeld rond, staaf-, ster- of raketvormig zijn. De verscheidenheid in kleur komt door verschillende combinaties van groene, blauwe en rode pigmenten die ze gebruiken voor hun fotosynthese. Sommige algen leven alleen als ééncellige, terwijl andere samen een kolonie vormen. Er zijn ook meercellige algen; deze worden ook wel wieren genoemd.

De meeste algen nemen in aantal toe door celdeling: de dochtercellen zijn daardoor een kloon van de moedercel. Groei van algen betekent niet zozeer dat cellen groter worden, maar dat het aantal cellen toeneemt.

Namen

De naamgeving van de meeste algen heeft te maken met hun uiterlijk of hun opbouw. Sommige algensoorten hebben bijvoorbeeld een celwand van silicium, ofwel kiezel. Deze soorten worden dan ook kiezelalgen genoemd. Andere algen danken hun naam aan hun kleur. Groenalgen hebben chlorofyl als belangrijkste pigment, waardoor de cellen sterk groen kleuren. Blauwalgen hebben naast chlorofyl ook een blauw pigment waarmee ze licht absorberen. Blauwalgen zijn eigenlijk geen microscopische plantjes maar bacteriën. In tegenstelling tot plantencellen hebben blauwalgen en andere bacteriën geen celkern. Daarom worden ze officieel cyanobacteriën genoemd. Cyaan slaat op hun blauw-groene kleur.

Sommige fytoplanktonsoorten hebben naast chlorofyl ook rode of bruine pigmenten, zoals goudalgen en kiezelalgen. Ook zijn er algen met een ‘zweepstaart’: een soort haar waarmee ze kunnen zwemmen. Dinoflagellaten zijn daar een voorbeeld van. Die naam is afgeleid van het Griekse dinos (rondtollen) en flagellum (zweep). Dinoflagellaten kunnen in symbiose leven met koralen, ze kunnen de zee doen oplichten (zeevonk) en sommige soorten kunnen ook erg giftig zijn.

De grote verschillen tussen algensoorten zorgen ervoor dat ze ook onder heel verschillende omstandigheden kunnen groeien. Ze hebben allemaal hun eigen specialiteit. In het vroege voorjaar bijvoorbeeld kan het water vol zitten met kiezelalgen. Deze groeien al goed bij lage temperaturen en kunnen dus als eerste algen na de winter tevoorschijn komen. Ze groeien door totdat ze al het silicium uit het water hebben opgenomen. Dan komen meestal de groenalgen tevoorschijn. Deze groeien snel en kunnen hoge dichtheden bereiken. Hun groei stopt als ze alle voedingsstoffen hebben opgenomen en in elkaars schaduw zitten. Onder dat soort omstandigheden zijn cyanobacteriën vaak de uiteindelijke winnaars. Zij kunnen met weinig licht toch nog goed groeien, vooral bij warm weer. Uiteindelijk zorgen de wisselende omstandigheden voor een afwisseling van soorten en kleuren algen in het water.

Algen zitten overal

De beschikbaarheid van voedingsstoffen, zoals nitraat en fosfaat, bepaalt waar algen kunnen groeien. In gebieden met veel menselijke activiteit, zoals landbouw en industrie, komen vaak veel van die voedingsstoffen in het oppervlaktewater terecht. Een dergelijke vermesting van het water zorgt er vervolgens voor dat algen hier goed gedijen. Dit is ook de reden dat het water in veel Nederlandse meren letterlijk groen ziet van de algen. Het is zelfs vanuit de ruimte te zien!

Behalve in voedselrijke sloten en meren komen algen ook voor in voedselarme wateren zoals bijvoorbeeld vennen, al zijn de dichtheden dan veel lager.

In de oceanen zitten veel voedingsstoffen in de diepere waterlagen, waar algen er niet bij kunnen. Alleen in de bovenste honderd meter van het water dringt genoeg licht door voor fotosynthese. Op plaatsen waar het diepere, voedselrijke water naar het oppervlakte komt, komen algen ook in grote hoeveelheden voor. Dit kan veroorzaakt worden door bijvoorbeeld een storm of door zogenoemde opwelling. Opwelling vindt vooral plaats in kustgebieden waar door een aflandige wind de bovenste waterlaag van de kust weg wordt geblazen.

Hierdoor wordt het koude en voedselrijke diepere water omhoog gezogen. De groei van fytoplankton in kustgebieden wordt ook gestimuleerd door voedingsstoffen die worden aangevoerd met rivierwater, zoals bij de monding van onze grote rivieren in de Noordzee.

In tropische delen van oceanen, ver weg van kustgebieden, beperken voedingsstoffen meestal de groei van algen. Daarom is het water er vaak erg helder. Door de hoge temperaturen ontstaat er een gelaagdheid in het water. Warm water is lichter en blijft dus drijven op zwaarder koud water. Dit fenomeen is in een warme zomer ook te voelen in Nederland in een meer als je je tenen in het diepe, koude water steekt. Een dergelijke gelaagdheid zorgt ervoor dat er maar een beperkte hoeveelheid voedingsstoffen vanuit het koude diepe water in het warme water aan het zonnige oppervlak terecht komt. Toch kunnen sommige cyanobacteriën wel groeien in de bovenste warme en voedselarme laag. Het zijn soorten die geen nitraat nodig hebben als stikstofbron. Net als bepaalde bacteriën die tussen de wortels van planten op het land leven (‘wortelknolletjesbacteriën’) kunnen ze stikstofgas uit de lucht vastleggen. Het is een bijzondere eigenschap die ervoor zorgt dat er ook midden op de oceanen algen leven.

Van pionier …

Cyanobacteriën speelden een essentiële rol in de ontwikkeling van het leven op onze planeet. De eerste cyanobacteriën zijn zo’n 2,7 miljard jaar geleden al begonnen met het produceren van zuurstof, als ‘afvalproduct’ van fotosynthese. Hierdoor hebben cyanobacteriën een belangrijke eerste bijdrage geleverd aan de aanwezigheid van zuurstof in de atmosfeer: de atmosfeer is door fotosynthese geschikt geworden voor dieren, waaronder de mens.

Tegenwoordig dragen cyanobacteriën samen met algen tot ongeveer de helft bij aan de mondiale fotosynthese. De rest wordt gedaan door landplanten, met name die in de regenwouden. Fotosynthese in planten en algen vindt plaats in bladgroenkorrels of chloroplasten. Die chloroplasten waren van oorsprong eigenlijk ook cyanobacteriecellen. Deze bacteriën staan dus ook aan de basis van de evolutie van alle algen en planten.

… tot plaag

Cyanobacteriën zijn nu vooral bekend van warme zomers, wanneer ze in grote hoeveelheden kunnen voorkomen in het oppervlaktewater. Een extreme groei van cyanobacteriën wordt in de volksmond bloei genoemd maar het is dus eigenlijk een uitbundige groei. Veel cyanobacteriesoorten kunnen zeer giftige stoffen maken, zoals saxitoxine. Dat is één van de meest giftige natuurlijke stoffen: ongeveer 600 keer giftiger dan cyanide. Eén kleine cyanobacteriecel bevat ook maar een kleine hoeveelheid gif, maar tijdens een cyanobacteriebloei zitten er wel heel veel cellen in het water. Samen kunnen die een concreet risico vormen voor de gezondheid van mens en dier.

Zwemmers kunnen irritaties krijgen aan huid en ogen en ook last van braken en diarree. Al vanaf één slok ‘blauwalgenwater’ kunnen problemen ontstaan maar de klachten nemen toe met de blootstellingsduur en de concentratie van de blauwalgen. De waterschappen in Nederland controleren dan ook regelmatig op de aanwezigheid van blauwalgen en waarschuwen als de concentratie cellen van mogelijk giftige cellen een afgesproken grenswaarde heeft bereikt.

Sommige cyanobacteriesoorten hebben gasblaasjes waardoor ze kunnen drijven. Hierdoor vormen ze een blauw-groene laag bovenop het water. Deze verfachtige laag wordt ook wel een ‘drijflaag’ genoemd. Het drijfvermogen regelen deze cyanobacteriën zelf. Aan het wateroppervlak, waar veel licht is, kunnen de bacteriën via fotosynthese CO₂ opnemen en koolhydraten maken. Deze koolhydraten worden niet direct gebruikt maar opgeslagen in de cel. De opgeslagen koolhydraten verhogen de soortelijke massa van de cellen, waardoor ze naar diepere waterlagen zinken waar veel voedingsstoffen zitten. Daar nemen de cellen de nodige voedingsstoffen op waarbij ze de opgeslagen koolhydraten gebruiken als energiebron.

Nadat de koolhydraten zijn verbruikt verliezen de cellen hun ballast en gaan ze weer drijven. Boven in de waterkolom kunnen de cellen vervolgens weer koolhydraten maken via fotosynthese en het proces begint opnieuw. Drijflagen van blauwalgen komen vooral ’s ochtends voor, als tijdens de nacht de opgeslagen koolhydraten zijn verbruikt.

Behalve cyanobacteriën zijn er ook fytoplanktonsoorten die giftige stoffen kunnen maken. Deze komen vooral voor in kustgebieden, maar ook in brakwatermeren. Een voorbeeld zijn dinoflagellaten. Ook hierbij geldt dat één cel maar een onschuldig beetje gif bevat, maar een bloei van deze algen kan wel een gevaar vormen. Veel dinoflagellaten hebben naast chlorofyl ook een bruin-rood pigment en bij grote hoeveelheden kan het water dan ook rood worden. Een dergelijke dinoflagellatenbloei wordt ook wel toepasselijk een ‘red tide’ genoemd.

Sommige van deze giftige algensoorten worden gegeten door schelpdieren, die de gifstoffen ophopen en daardoor zelf giftig worden. Deze schelpdieren, zoals mossels en oesters, zijn dan niet meer geschikt om te eten omdat ze zogenoemde schelpdiervergiftiging kunnen veroorzaken. Dinoflagellaten kunnen naast autotroof (ze gebruiken anorganische stoffen en produceren organische stoffen, zoals alle planten) ook heterotroof (ze ‘eten’ organische stoffen zoals alle dieren) zijn.

Sommige dinoflagellaten kennen beide mogelijkheden in één en lijken dus op een plant, maar ook op een dier. Hierdoor kunnen deze dinoflagellaten vaak ook goed groeien in water waar maar weinig voedingsstoffen in zitten.

Algen in de diepzee

CO₂ uit de atmosfeer reageert met water, waardoor koolzuur ontstaat. Dit koolzuur is erg instabiel en valt uit elkaar in waterstofcarbonaat (HCO₃^–) en een proton (H⁺), waarna HCO₃^– ook uit elkaar kan vallen. Daarbij komt nog een proton vrij. Een toename van protonen zorgt ervoor dat de zuurgraad van het water toeneemt (de pH wordt lager). Met meer CO₂ in de atmosfeer komen er dus ook meer protonen in het water terecht, dat daardoor zuurder wordt. Dit fenomeen staat bekend als ‘oceaanverzuring’.

Oceaanverzuring heeft allerlei gevolgen voor het leven in het water. Er zijn organismen die een uitwendig skelet van kalk maken, zoals sommige koralen, kreeftachtigen, weekdieren, foraminiferen, maar ook bepaalde algensoorten. In verzuurd water kost het deze organismen meer energie om hun kalkskelet te maken en te behouden. In sommige gevallen lost de kalk zelfs op in het zuurdere water. Hierdoor lijkt oceaanverzuring vooral voor deze groep organismen een bedreiging te vormen.

Een deel van het CO₂ dat in het water terechtkomt wordt via fotosynthese vastgelegd door algen. Deze algen worden op hun beurt gegeten door dieren zoals bijvoorbeeld krill en roeipootkreeften. Maar niet alle algen worden opgegeten. Een deel van de algen zinkt naar de diepzee waar ze eindigen op de bodem van de oceaan. Hier kan het vastgelegde CO₂ voor een lange tijd worden opgeslagen. Een dergelijk ‘transport’ van CO₂ door algen vanuit de bovenste waterlaag naar de bodem van de oceaan wordt ook wel de ‘koolstofpomp’ genoemd. De koolstofpomp zorgt ervoor dat een deel van het CO₂ dat in de atmosfeer terechtkomt, bijvoorbeeld door verbranding van fossiele brandstoffen, weer verdwijnt. Zodoende spelen algen een belangrijke rol in de mondiale koolstofkringloop.

Eindeloze strijd

De grote diversiteit van cyanobacterie- en algensoorten vind je niet in één en dezelfde druppel water. Toch leven veel van deze soorten samen en concurreren ze met elkaar om bijvoorbeeld CO₂, licht en voedingsstoffen. Halverwege de vorige eeuw heeft de Amerikaanse ecoloog George Evelyn Hutchinson de vraag gesteld waarom er relatiefveel algensoorten kunnen samenleven met maar een klein aanbod van mogelijk beperkende groeifactoren, zoals CO₂, licht en voedingsstoffen. Eerder was namelijk aangetoond dat voor iedere groeifactor er vaak uiteindelijk maar één algensoort de ‘sterkste’ is en de competitie wint. Toch leven er veel meer soorten samen dan dat er beperkende groeifactoren zijn. Dit wordt ook wel de ‘planktonparadox’ genoemd.

Er zijn verschillende oplossingen voor de planktonparadox. Er kunnen gradiënten zijn van groeifactoren, zoals afnemend licht en een toenemende hoeveelheid voedingsstoffen als je dieper in het water gaat. Ook kunnen groeifactoren zoals temperatuur en licht sterk veranderen met de seizoenen. Iedere algensoort heeft voordeel bij bepaalde omstandigheden: de optimale groeiomstandigheden.

Maar ieder voordeel heeft ook een nadeel. Een dergelijke ‘trade-off’ draagt bij aan de diversiteit van algen in het water. Als een algensoort goed concurreert om bijvoorbeeld licht, kan dit ten koste gaan van zijn concurrentievermogen voor voedingsstoffen. Daarnaast kunnen ook ziektes bij algen, zoals schimmel- en virusinfecties de diversiteit aan algen in het water verhogen. Immers, wanneer een bepaalde soort de strijd lijkt te winnen en hoge concentraties bereikt, is de kans op infectie ook groter. Sommige algen maken daarnaast stoffen die giftig zijn voor andere algensoorten of voor grazers. Andere algen wapenen zich tegen grazers door kolonies te vormen of door stekels te maken.

Toch is het is niet alleen haat en nijd: sommige soorten kunnen ook vredig samenleven. Zo is bijvoorbeeld gebleken dat (blauw-)groene en rode cyanobacteriën zonlicht kunnen delen. Door hun kleurverschil kunnen deze cyanobacteriën ieder een eigen deel van het lichtspectrum gebruiken. De groene soorten, die dus groen licht reflecteren, absorberen meer van het rode licht, terwijl de rode soorten meer van het groene licht gebruiken. De combinatie van al deze factoren, en nog vele andere, zorgt ervoor dat er nooit een evenwicht ontstaat van maar een kleine hoeveelheid winnaars. Steeds is er een andere algensoort de beste waardoor de algendiversiteit in het water hoog blijft.

In hun element

De gemiddelde verhouding tussen koolstof-, stikstof- en fosforatomen van algen in natuurlijke wateren lijkt vrij constant te zijn. De verhouding komt vaak in de buurt van 106:16:1 (C:N:P). Deze verhouding is zo’n tachtig jaar geleden ontdekt door de Amerikaanse oceanograaf Alfred Clarence Redfield en wordt dan ook de Redfield-ratio genoemd. Algen kunnen hun C:N:P-verhouding echter aanpassen aan de omgeving. De N:P verhouding van 16:1 komt bijvoorbeeld overeen met de nitraat:fosfaat verhouding in de diepzee. Uiteindelijk hangt de C:N:P verhouding in algen af van welke organische stoffen, zoals eiwitten en vetten, in de cel kunnen worden gemaakt.

De verhouding van elementen in algen ligt dus niet vast. Wanneer er bijvoorbeeld weinig nitraat in het water zit, kan een alg minder eiwitten maken; daarvoor heeft hij immers het stikstof uit nitraat nodig. De C:N verhouding van de alg zal dan omhoog gaan. Veranderingen in de verhouding tussen elementen kunnen uiteindelijk ook invloed hebben op dieren en daardoor op de hele voedselketen.

De relaties van de alg

Omdat algen CO₂ en voedingsstoffen omzetten in organische stoffen, staan ze aan de basis van het onderwater voedselweb. Dieren kunnen geen CO₂ omzetten en zijn dan ook allemaal, de mens incluis, afhankelijk van planten voor belangrijke stoffen zoals koolhydraten, eiwitten en vetten. Algen worden gegeten door zoöplankton wat letterlijk zwevende (planktos) diertjes (zoön) betekent. In de oceanen zijn dit bijvoorbeeld krill en roeipootkreeften, terwijl in zoetwater watervlooien belangrijke algeneters zijn. Zoöplankton wordt weer gegeten door vissen. Krill in de zuidelijke oceaan vormt de belangrijkste voedselbron voor zeezoogdieren zoals walvissen. Vissen worden op hun beurt weer gegeten door roofvissen, vogels en (zee)zoogdieren, waaronder zeehonden, dolfijnen, maar ook beren en natuurlijk de mens.

Door de toename van voedingsstoffen in het water kan het onderwatervoedselweb drastisch veranderen. Met name halverwege de vorige eeuw zijn door vermesting veel wateren in Nederland veranderd van helder water in een troebele algensoep. Met meer voedingsstoffen kunnen algen immers goed groeien. Doordat algen licht wegvangen blijft er minder licht over voor de waterplanten die op de bodem leven. Op een gegeven moment kunnen deze niet meer groeien.

Dit heeft ook gevolgen voor bepaalde roofvissen, zoals de snoek, die op zicht jagen en planten nodig hebben om tussen te schuilen en voort te planten. Doordat zoöplanktonetende vissen zoals voorns dan minder door snoek worden bejaagd, neemt de hoeveelheid zoöplankton sterk af. Ook dat heeft een positief effect op algen, want die worden minder opgegeten. Door deze ‘positieve terugkoppeling’ zorgen algen er dus voor dat de omstandigheden om te groeien voor hen zelf verbeteren.

Bovendien zorgen dergelijke terugkoppelingen ervoor dat de concentraties voedingsstoffen ver terug gebracht moeten worden om het water weer helder te krijgen en waterplanten weer te kunnen laten groeien. Ondanks maatregelen als ‘actief biologisch waterbeheer’ zitten er op veel plaatsen nog grote hoeveelheden voedingsstoffen in het oppervlaktewater. Hierdoor hebben veel van onze meren de kenmerkende groene kleur van die kleine intrigerende organismen: algen.