Havbefrugtning af usædvanlige mikrober strækker sig til de kolde farvande i Ishavet

Mikrober, der leverer naturlig gødning til havene ved at "fiksere" nitrogen fra atmosfæren til en form, der kan bruges af andre organismer, blev engang antaget at være begrænset til varme tropiske og subtropiske farvande. Nu, imidlertid, forskere har dokumenteret nitrogenfiksering ved en usædvanlig type cyanobakterier i det kolde vand i Bering- og Chukchihavet.

"Dette strider imod alle lærebogens antagelser om, hvor nitrogenfiksering forekommer. Alle de matematiske modeller for nitrogenindgang til havene er begrænset af temperaturen på grund af denne underliggende antagelse, "sagde Jonathan Zehr, professor i havvidenskab ved UC Santa Cruz og seniorforfatter af et papir om de nye fund, der blev offentliggjort mandag, 10. december kl. i Procedurer fra National Academy of Sciences .

Katie Harding, en kandidatstuderende i Zehrs laboratorium og første forfatter af papiret, forklarede, at i mange dele af havene, produktiviteten er begrænset af tilgængeligheden af ​​nitrogen. "Nitrogenfiksering brænder næringskæden på nogle områder, så det er vigtigt at forstå, hvad alle kilderne er, " hun sagde.

Nitrogenfiksering Harding opdaget i Arktis udføres af en organisme kaldet UCYN-A, som først blev opdaget af Zehrs gruppe i det åbne hav nær Hawaii. Efter at have fundet DNA-tegn på en tidligere ukendt nitrogenfikserende mikrobe, Zehrs laboratorium identificerede det til sidst som en type cyanobakterier, der underligt nok manglede kapacitet til fotosyntese. Endelig, i 2012, de opdagede, at den lever i en tæt symbiose med en type små, encellede alger. I dette gensidigt fordelagtige partnerskab, UCYN-A leverer fast nitrogen, mens haptophytalgen tilvejebringer fast kulstof gennem fotosyntese.

I mellemtiden, Zehr og andre forskere fandt den nyopdagede UCYN-A i stadig mere udbredte områder af havet, først i kystnære farvande og derefter i farvande så langt nord som det danske sund. UCYN-A kan ikke dyrkes i laboratoriet, men det kan identificeres og isoleres fra vandprøver ved hjælp af sofistikeret cellesortering og gensekvenseringsteknikker.

Den nye undersøgelse viser ikke kun, at den kan eksistere i Arktis, men at det er funktionelt og fikserende nitrogen i arktiske farvande med temperaturer under 4 grader Celsius (40 grader Farhrenheit). "Det er ikke kun celler, der driver op i Arktis på havstrømme. Det er aktivt, og det er den eneste rigtige cyanobakterielle nitrogen-fixer i Arktis, "Sagde Zehr.

Cyanobakterier (engang vildledende omtalt som blågrønne alger) er bakterier, der kan fotosyntetisere som planter, selvom UCYN-A synes at have mistet denne evne. Kun nogle cyanobakterier er i stand til at reparere nitrogen, herunder Trichodesmium, som engang blev antaget at være den vigtigste kilde til nitrogenfiksering i det åbne hav. Trichodesmium, imidlertid, vokser ikke i vand, der er køligere end 20 grader Celsius (68 grader Fahrenheit).

"Det er svært at måle nitrogenfikseringshastigheder i vandprøver og fortælle, hvilken organisme der gør, hvor meget, men jeg formoder, at hvis du skulle tilføje global nitrogenfiksering ved UCYN-A, det er en betydelig og muligvis den største kilde til nitrogen i havet, "Sagde Zehr.

Selvom det endnu ikke er fundet i det sydlige ocean omkring Antarktis, Zehr sagde, at det sandsynligvis er det næste sted, han vil lede efter det. Da hans samarbejdspartnere ved Virginia Institute of Marine Science først foreslog at se i Arktis, han tøvede. "Jeg havde slet ikke regnet med at finde megen nitrogenfiksering, endsige nitrogenfikserende cyanobakterier. Det viser bare, du ved det ikke, før du ser, " han sagde.

"Et af de interessante spørgsmål ud fra et biologisk synspunkt er, hvordan UCYN-A kan tolerere så mange temperaturområder, især når temperaturområdet for Trichodesmium er så smalt, Sagde Harding.

På et forskningstogt ud af Nome, Alaska, i september 2016, Harding og andre medlemmer af teamet indsamlede og behandlede vandprøver til analyse tilbage i laboratoriet. Forarbejdning på skibet omfattede inkubering af prøver med nitrogen-15, så ethvert nyfikset nitrogen ville blive mærket med den tunge isotop. Dette gjorde det muligt for forskerne at måle nitrogenfikseringshastigheder og vise, at UCYN-A aktivt fikserede nitrogen. Tilbage i laboratoriet, de brugte fluorescerende mærkning til at identificere UCYN-A og en avanceret massespektrometri-teknik til at detektere nitrogen-15 i cellerne i UCYN-A og dets algesymbiont.

De nitrogenfikseringshastigheder, de målte i Chukchihavet, var relativt lave, men satserne i Beringhavet (ved 10 grader Celsius) lignede dem målt i meget varmere farvande. Kvælstoffiksering fra UCYN-A tegnede sig for hele kvælstoffikseringen målt i Beringhavet, men tegnede sig kun for en brøkdel af totalen i Chukchihavet.

"Satserne i Arktis er ret lave, så UCYN-A er måske ikke særlig vigtig der nu. Men hvis den arktiske opvarmning fortsætter, det vil blive mere og mere vigtigt som en kilde til nitrogen i arktiske økosystemer, "Sagde Zehr.