Forstå mikrobiel konkurrence om nitrogen

Kvælstof er en varm vare i overfladehavet. Primære producenter, herunder planteplankton og andre mikroorganismer, forbruger og omdanner det til organiske molekyler for at bygge biomasse, mens andre transformerer uorganiske former for at få adgang til deres kemiske energilagring. Alle disse trin er en del af den komplekse nitrogencyklus i den øvre vandsøjle.

Cirka 200 meter ned, lige under havets solbelyste zone, ligger et lag nitrit, en mellemproduktforbindelse i nitrogencyklussen. Forskere har fundet denne robuste funktion, kaldet det primære nitritmaksimum, i hele verdens iltede oceaner. Mens flere individuelle hypoteser er blevet fremsat, ingen har overbevisende forklaret denne marine signatur indtil nu.

En nylig Naturkommunikation undersøgelse ledet af forskere i programmet i atmosfærer, Oceaner og klima (PAOC) inden for MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS) bruger teori, modellering, og observationsdata for at undersøge de økologiske mekanismer, der producerer den observerede nitritakkumulering og dikterer dens placering i vandsøjlen. Hovedforfatter Emily Zakem - en tidligere EAPS -kandidatstuderende, der nu er postdoc ved University of Southern California - sammen med EAPS -forskningsforsker Stephanie Dutkiewicz og professor Mick Follows viser, at fysiologiske begrænsninger og ressourcekonkurrence mellem fytoplankton og nitrificerende mikroorganismer i det solbeskinnede lag kan give dette havtræk.

Regulering af den biologiske pumpe

På trods af den lave oceaniske koncentration, nitrit (NO2-) spiller en central rolle i globale kulstof- og nitrogencyklusser. Det meste af kvælstoffet i havet findes i den uorganiske form af nitrat (NO3-), hvilke primære producenter og mikroorganismer kemisk reducerer det for at bygge organiske molekyler. Remineralisering sker, når den omvendte proces finder sted:Fytoplankton og andre heterotrofe bakterier nedbryder disse organiske forbindelser til ammonium (NH4+), en form for uorganisk nitrogen. Ammonium kan derefter forbruges igen af ​​primære producenter, som får deres energi fra lyset. Andre mikroorganismer kaldet kemoautotrofer bruger også ammonium både til fremstilling af ny biomasse og som energikilde. At gøre dette, de udvinder ilt fra havvand og omdanner det, en proces kaldet nitrifikation, som sker i to trin. Først, mikroberne omdanner ammonium til nitrit og derefter til nitrat.

Et eller andet sted langs linjen, nitrit har ophobet sig ved bunden af ​​den solbelyste zone, hvilket har betydning for havets biogeokemi. "Bredt, vi forsøger at forstå, hvad der styrer remineraliseringen af ​​organisk stof i havet. Det er den remineralisering, der er ansvarlig for dannelsen af ​​den biologiske pumpe, som er den ekstra lagring af kulstof i havet på grund af biologisk aktivitet, "siger Zakem. Det er denne stærke indflydelse, som nitrogen har på den globale kulstofcyklus, der fanger Follows 'interesse." Fytoplanktons vækst på nitrat kaldes' ny produktion ', og det balancerer mængden, der synker ud af overfladen og styrer, hvor meget kulstof er lagret i havet. Vækst af fytoplankton på ammonium kaldes genanvendt produktion, som ikke øger lagring af kulstof i havet, "Følger siger." Så vi ønsker at forstå, hvad der styrer udbuddet og det relative forbrug af disse forskellige nitrogenarter. "

Kamp om kvælstof

Det primære nitritmaksimum findes mellem to grupper af mikroorganismer i de fleste af verdens oceaner. Over den i den solbelyste zone er fytoplankton, og i det primære nitritmaksimum og lidt derunder hviler en overflod af nitrificerende mikrober i et område med høje nitrifikationshastigheder. Forskere klassificerer disse mikrober i to grupper baseret på deres foretrukne nitrogenkilde:ammoniumoxiderende organismer (AOO) og nitritoxiderende organismer (NOO). På høje breddegrader som Jordens subpolare områder, nitrit ophobes i overfladens solbelyste zone såvel som dybere.

Forskere har antaget, at der kan være to ikke gensidigt udelukkende årsager til opbygningen af ​​nitrit:Nitrifikation af kemoautotrofiske mikrober, og når stresset, planteplankton kan reducere nitrat til nitrit. Da isotopiske beviser ikke understøtter sidstnævnte, gruppen kiggede på førstnævnte.

"Den mangeårige hypotese var, at lokaliseringerne af nitrifikation blev kontrolleret af inhibering af lys af disse [nitrifiserende] mikroorganismer, så de mikroorganismer, der udfører denne proces, blev begrænset fra overfladen, "Zakem siger, hvilket indebærer, at disse nitrificerende kemoautotrofer blev solskoldede. Men i stedet for at antage, at det var sandt, gruppen undersøgte de økologiske interaktioner mellem disse og andre organismer i overfladehavet, lad dynamikken falde naturligt ud. For at gøre dette indsamlede de mikrobielle prøver fra det subtropiske nordlige Stillehav og vurderede dem for metabolismehastigheder, effektivitet og overflod, og vurderede de fysiologiske behov og begrænsninger for de forskellige nitrificerende mikrober ved at reducere den biologiske kompleksitet af deres metabolisme ned til dens underliggende kemi og dermed hypotese nogle af de mere fundamentale begrænsninger. De brugte disse oplysninger til at informere dynamikken i de nitrifierende mikrober i både en endimensionel og tredimensionel biogeokemisk model.

Gruppen fandt ud af, at ved at anvende denne ramme, de kunne løse interaktionerne mellem disse nitrificerende kemoautotrofer og fytoplankton og derfor simulere ophobning af nitrit ved det primære nitritmaksimum på de passende steder. I overfladehavet, når uorganisk nitrogen er en begrænsende faktor, fytoplankton og ammoniumoxiderende mikrober har lignende evner til at erhverve ammonium, men fordi planteplankton har brug for mindre nitrogen for at vokse og have en hurtigere væksthastighed, de er i stand til at udkonkurrere nitrifierne, ekskluderer dem fra den solbelyste zone. På denne måde, de var i stand til at give en økologisk forklaring på, hvor nitrifikation sker uden at skulle stole på, at lysinhibering dikterer placeringen.

Sammenligning af nitrifiers fundamentale fysiologier afslørede, at forskelle i metabolisme og cellestørrelse kunne tegne sig for nitritopbygningen. Forskerne fandt ud af, at det andet trin i nitrifikationsprocessen, der udføres af nitritoxidanterne, kræver mere nitrogen for den samme mængde biomasse, der dannes af disse organismer, hvilket betyder, at ammoniakoxidanterne kan mere med mindre, og at der er færre nitritoxiderende midler end ammoniakoxidanterne. De nitritoxiderende mikrober har også en højere grænse for overflade til volumen end de mindre og allestedsnærværende ammoniumoxiderende mikrober, gør det vanskeligere at optage nitrogen. "Dette er en alternativ forklaring på, hvorfor nitrit skal ophobes, "Zakem siger." Vi har to grunde, der peger i samme retning. Vi kan ikke skelne hvilken det er, men alle observationer er i overensstemmelse med en af ​​disse to eller en kombination af at begge er kontrollen. "

Forskerne kunne også bruge en global klimamodel til at gengive en ophobning af nitrit i den solbelyste zone af steder som subpolare områder, hvor planteplankton er begrænset af en anden ressource end nitrogen som lys eller jern. Her, nitrifier kan eksistere sammen med fytoplankton, da der er mere nitrogen til rådighed for dem. Derudover det dybt blandede lag i vandet kan trække ressourcer væk fra planteplanktonet, giver nitrifierne en bedre chance for overlevelse i overfladen.

"Der er denne mangeårige hypotese om, at nitrifierne blev hæmmet af lys, og det er derfor, de kun findes på undergrunden, "Siger Zakem." Vi siger, at vi måske har en mere grundlæggende forklaring:at denne lysinhibering eksisterer, fordi vi har observeret den, men det er en konsekvens af langsigtet eksklusion fra overfladen. "

Tænker større

"Denne undersøgelse samlede teori sammen, numeriske simuleringer, og observationer for at drille fra hinanden og give en simpel kvantitativ og mekanistisk beskrivelse af nogle fænomener, der var mystiske i havet, "Følger siger." Det hjælper os med at drille nitrogencyklussen fra hinanden, som har indflydelse på kulstofcyklussen. Det har også åbnet boksen til brug af denne slags værktøjer til at behandle andre spørgsmål i den mikrobielle oceanografi. "Han bemærker, at det faktum, at disse mikrober skifter ammonium til nitrat nær den solbelyste zone, komplicerer historien om kulstoflagring i havet.

To forskere, der ikke var involveret i undersøgelsen, Karen Casciotti, lektor i Stanford University Department of Earth System Science, og Angela Landolfi, en videnskabsmand i den marine biogeokemiske modelleringsafdeling ved GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel, enig. "Denne undersøgelse er af stor betydning, da den giver bevis for, hvordan organismeres individuelle egenskaber påvirker konkurrencedygtige interaktioner mellem mikrobielle populationer og giver en direkte kontrol med næringsstoffernes fordeling i havet, "siger Landolfi." I det væsentlige Zakem et al., give en bedre forståelse af sammenhængen mellem forskellige kompleksitetsniveauer fra individ til samfund op til miljøniveau tilvejebringe en mekanistisk ramme til at forudsige ændringer i samfundssammensætning og deres biogeokemiske påvirkning under klimatiske ændringer, «siger Landolfi.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.