Fremstilling af limonade:Tilfældig observation fører til undersøgelse af mikrobiel blomstringsdannelse

En videnskabelig opdagelse starter ofte med en tilfældig observation lavet af åbne sind, der realiserer dets potentiale. Dette sker igen og igen i MBL's Advanced Research Training-kurser. En frisk indsigt fører til et kursusforskningsprojekt, der, efter kurset er slut, kan blomstre til et fuldskala videnskabeligt samarbejde, der fortsat forbinder kursister over hele kloden.

I 2014 studerende og fakulteter i MBL's kursus i mikrobiel mangfoldighed gjorde en sådan serendipital observation. Et hold fulgte op på det i de kommende år og i sidste uge, offentliggjort deres indsigt i tidsskriftet Miljømikrobiom .

Historien startede ved Trunk River lagunen, tæt på Shining Sea Bike Path i Falmouth, Masse., som i årtier har været et "naturligt laboratorium" for kurset mikrobiel mangfoldighed sammen med andre lokale feltsteder, såsom Sippewissett Marsh. (Kurset, etableret på MBL i 1971 af Holger Jannasch, fejrer sit 50 års jubilæum i år).

"Få dage efter at vi havde vadet gennem den lavvandede del af Trunk River-lagunen, vores fodspor blev gule, " siger seniorforfatter Emil Ruff, en kursuslærerassistent i 2014-15 og nu videnskabsmand i MBL's Ecosystems Center og Josephine Bay Paul Center.

Ruff havde en hypotese om, at den gule suspension (som kursisterne kaldte mikrobiel "limonade") var en svovlopblomstring genereret af mikroorganismer, der kobler fotosyntese til oxidation af svovl. Elevernes fodspor har sandsynligvis ophidset rådnende havgræs og andet organisk materiale, frigiver sulfid i vandet og skaber et levested, der er egnet til, at sjældne mikrober kan blomstre.

Opblomstring af mikroorganismer er ikke ualmindeligt i vandområder. Nogle er så store, at de er synlige fra satellitter. Nogle er skadelige, fordi de kan være giftige for dyr, eller føre til iltsvind i visse områder af havet. Opblomstringer genereret af høje sulfidkoncentrationer er generelt en bekymring, da de kan blive giftige for fisk, muslinger og fugle. Der er mange åbne spørgsmål om, hvad der udløser blomstringsdannelse og kollaps.

Det næste år, Ruff og et hold fra kurset Microbial Diversity vendte tilbage til Trunk River med det mål bevidst at skabe og spore opblomstringer for at studere, hvordan mikrobielle samfund dannes og ændres over tid. De gravede huller i lagunen og tilføjede pæle, der gjorde det muligt for dem at prøve dagligt fra flere dybder uden at forstyrre vandsøjlen.

"Ofte i mikrobiel økologi, vi forsøger at forstå et økosystem i dets steady state. Men det er stadig uklart, hvor lang tid det tager for et økosystem at komme sig efter en forstyrrelse, og hvad det tager at etablere et mangfoldigt [mikrobielt] samfund, " siger Ruff. Det eksperimentelle design gjorde det muligt for forskerholdet at følge det mikrobielle samfund, da det begyndte at samle sig, modnet og stratificeret over tid, og faldt sammen i slutningen af ​​blomstringen.

Forståelse af denne dynamik er særlig vigtig i estuarine økosystemer, såsom Trunk River lagune, der er udsat for naturlige og menneskelige forstyrrelser. Flodmundinger giver ikke kun vigtig beskyttelse mod kysterosion, de fanger også kulstof fra atmosfæren og binder det. De tjener også som fødekilde og grobund for meget af den kystnære biodiversitet.

"Økologien og biogeokemien, der forårsagede de svovldrevne opblomstringer, viste os, hvor hurtigt tingene kan vende, og hvordan økosystemer og mikrobiomer hurtigt kan ændre sig ved forstyrrelser, " siger Ruff.

Et overraskende fund var, hvor blomstens mikrober - kaldet anoxygene fototrofer - fandt optimale levevilkår. Forud for studiet man troede generelt, at mange af blomstrende mikrober ikke kunne vokse i nærværelse af ilt. At finde dem i mildt oxiske farvande fik forskerne til at undersøge deres genomer. De fandt ud af, at visse arter af Chlorobiales - den bakterielle afstamning, der er ansvarlig for det meste af blomstringsbiomassen og den gule farve - koder for enzymer, der bekæmper iltstress, hvilket kunne forklare mikrobernes ilttolerance. Denne og andre indsigter har allerede igangsat nye kursusforskningsprojekter.

Ligesom mikrobernes forskellige funktioner i Trunk River-flodmundingen, kurset Mikrobiel mangfoldighed samler undervisere, fakultet og studerende med forskellig baggrund og forskningsfokus.

"Det, jeg fandt bemærkelsesværdigt, er rækken af ​​ekspertise i kurset, " siger Ruff. "Du kan samle en gruppe forskere, der kan se på alle aspekter af et økosystem, herunder mikrobiologi, fysik, kemi og alt derimellem. Denne holistiske tilgang er, hvad kurset står for og giver videre til sine studerende hvert år, i de sidste 49 år."