Mørke havbakterier opdagede at spille en stor rolle i kulstoffangst

Havbakterier, der lever i havets mørke dyb, spiller en nyopdaget og væsentlig rolle i det globale kulstofkredsløb, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i Videnskab .

Det "mørke hav" - alt, hvad der ligger under 200 meter - udgør 90 procent af havet. Meget lidt er kendt om det mikroskopiske liv i dette rige og dets kritiske rolle i omdannelsen af ​​kuldioxid til cellemateriale, proteiner, kulhydrater og lipider. Dette friskproducerede organiske materiale kan derefter forbruges af andre marine organismer, hvilket øger havets produktivitet.

Det meste af det mørke havkulstof fanges i den mesopelagiske zone, som ligger mellem 200 og 1000 meter under havoverfladen. Identiteten af ​​mikroorganismer, der udfører denne proces, og de involverede energikilder er forblevet et stort mysterium. Ved at analysere genomerne fundet i havvandsprøver fra denne zone, forskere fra Bigelow Laboratory for Ocean Sciences har nu identificeret nogle af de mest betydningsfulde bidragydere - nitrit-oxiderende bakterier.

"Vi vidste, at disse bakterier var der og var involveret i det globale kulstofkredsløb, men deres rolle er så meget større end hvad videnskabsmænd tidligere troede, " sagde Maria Pachiadaki, postdoc ved Bigelow Laboratory.

Disse bakterier får deres energi fra oxidation af nitrogenforbindelser. De tegner sig for mindre end 5 procent af mikrobielle celler i det mørke hav, hvilket tidligere fik forskerne til i høj grad at undervurdere deres bidrag. Denne undersøgelse afslører, at på trods af deres relativt lave overflod, nitrit-oxiderende bakterier fanger mere end 1,1 gigaton kuldioxid i den mesopelagiske zone årligt. Dette kan sammenlignes med tidligere skøn over det samlede kulstof, der er fanget i hele det mørke hav.

Holdet analyserede sammensætningen af ​​mikrobielle mesopelagiske samfund baseret på genetisk information i havvandsprøver fra 40 steder rundt om i verden. De brugte derefter enkeltcelle genomics-værktøjer til fuldt ud at sekvensere individuelle celler og undersøge deres biologi baseret på deres genetiske tegninger.

"Før genomiske teknikker, det mørke hav var en sort boks, fordi mikroorganismer fra dette miljø nægter at vokse i forskningslaboratorier, " sagde Ramunas Stepanauskas, en seniorforsker ved Bigelow Laboratory og direktør for Single Cell Genomics Center. "Nu, ved hjælp af moderne værktøjer, der er udviklet af vores gruppe, vi kan åbne denne sorte boks og forstå, hvem der bor der, hvad de laver, og hvordan de gør det."

Forskningen bag dette Videnskab papir begyndte med et forsøg på at identificere nye grupper af mikroskopiske organismer i den mesopelagiske zone. Ifølge Pachiadaki, den tidligere accepterede forklaring på kulstoffangst i det mørke hav virkede ikke korrekt under nøje eftersyn. Archaea, en meget mere rigelig gruppe af mikroorganismer i det mørke hav, var blevet krediteret for at udføre det meste af arbejdet, men regnestykket stemte bare ikke. Holdet satte sig for at opdage de uidentificerede organismer, der var de sande forkæmpere for kuldioxidfangst i det store mørke hav.

Holdet analyserede næsten 3, 500 genomer af bakterier og arkæer. Da de ikke fandt nogen andre organismer, der havde de metaboliske veje til at fange kulstof, og som forekom i stor nok overflod, de begyndte at se nærmere på de nitrit-oxiderende bakterier.

Omkring 100 af de analyserede genomer blev identificeret som nitrit-oxiderende bakterier, og holdet udvalgte og sekventerede fuldt ud den genetiske information fra 30 repræsentative organismer.

"Hvis vi ikke havde de genomiske data, vi ville sandsynligvis aldrig have tænkt på at undersøge disse bakteriers indvirkning på kulstofkredsløbet, " sagde Pachiadaki.

Gennem hele projektets forløb, state-of-the-art genomics teknikker fortsatte med at udvikle sig hurtigt, og Bigelow Laboratorys Single Cell Genomics Center tilføjede avanceret teknologi, der gjorde det muligt for forskerne at estimere cellediametre. Pludselig, forskerne kunne se, at de nitrit-oxiderende bakterier var meget større end de rigelige arkæer, der tidligere blev anset for at være ansvarlige for størstedelen af ​​kulstoffangsten i det mørke hav.

"De udgør måske kun 5 procent af befolkningen, men cellerne i de nitrit-oxiderende bakterier er 50 gange større, " sagde Pachiadaki.

For at bekræfte deres hypotese, holdet designede en række eksperimenter med samarbejdspartnere fra universitetet i Wien. Professor Gerhard Herndls forskergruppe tog havvandsprøver fra den mesopelagiske zone flere steder i Nordatlanten og tilføjede kuldioxid, der var blevet markeret med et radioaktivt mærke. Dette gjorde det muligt for dem at bestemme mængden absorberet af hver gruppe af mikroorganismer, som bekræftede den dominerende rolle af nitrit-oxiderende bakterier i kulstoffangst.

"Disse resultater kaster nyt lys over sammenhængen mellem nitrogen og kulstofkredsløb i havets indre, " sagde Herndl. "Vi demonstrerede eksperimentelt den store rolle, som nitrit-oxidatorer spiller i at fange kuldioxid i det mørke hav og oplyste en gruppe af mikrober, som endnu ikke har fået tilstrækkelig opmærksomhed for deres indvirkning på det oceaniske kulstofkredsløb."