Forskere forbinder mikrober i havets skumringszone med nedbrydningen af ​​hårde organiske molekyler

Havvand er mere end bare saltvand. Havet er en sand suppe af kemikalier.

En del af den bouillon kommer fra opløste kulstofforbindelser, som står for et betydeligt lager af globalt kulstof, på niveau med mængden i atmosfæren. Forskere arbejder aktivt på at klassificere, hvilke former kulstof antager i verdenshavene, samt de biologiske processer, der genbruger det i havets vand.

Nogle molekyler, som proteiner og sukkerarter, let nedbrydes, mens andre er mere modstandsdygtige over for nedbrydning. En ny undersøgelse, ledet af UC Santa Barbara postdoc-forsker Shuting Liu, undersøgt nogle af disse mere genstridige forbindelser og de mikrober, der kan fordøje dem. Resultaterne, som står i journalen Limnologi og Oceanografi , belyse grundlæggende aspekter af havets kulstofkredsløb og kan hjælpe forskere med at forudsige, hvilken rolle mikrober spiller i dets regulering.

Liu og professor Craig Carlson, på Institut for Økologi, Evolution og marinbiologi, er en del af en gruppe, der udfører forskning på Bermuda Atlantic Time-series Study site. Stedet er et langsigtet forskningsprojekt i Sargassohavet, selv en region i Atlanterhavet i nærheden af ​​Bermuda. I løbet af mange år, forskerne bemærkede, at opløst organisk stof byggede sig op i overfladevandet i de roligere sommermåneder. Mere barske forhold om vinteren blandede disse forbindelser i dybere vand, et lag, videnskabsmænd kalder den mesopelagiske zone - eller, tusmørkezonen, fordi spænder over de laveste dybder, som lyset kan nå. Når det først skete, noget af det organiske stof ville nedbrydes, og cyklussen ville begynde igen. Holdet var ivrige efter at forstå hvorfor.

For at gøre det, Liu og hendes kolleger fokuserede på carboxylrige alicykliske molekyler, eller CRAM'er, en særlig sej og mangfoldig række af organiske forbindelser med lignende kemiske egenskaber, hvoraf nogle omfatter de mere ihærdige organiske molekyler i havet.

En klasse af forbindelser, der passer til CRAM-beskrivelsen, er ligniner, gruppen af ​​molekyler, der giver træ dets stivhed. Faktisk, Liu brugte lignin som en af ​​fire model CRAM-lignende forbindelser i sit eksperiment.

Holdets mål var enkelt. "Vi forsøger at se, hvilke typer mikrober der reagerer på disse CRAM-lignende forbindelser i mesopelagien, " sagde Liu.

Forskerne introducerede deres fire model CRAM-forbindelser i prøver af havvand fra mesopelagien og observerede resultaterne. Med forskellige tidsintervaller, de analyserede koncentrationerne af opløst organisk kulstof og talte det samlede antal bakterieceller ved hjælp af et mikroskop. Gruppen brugte også molekylære prober, der målrettede seks specifikke mikrobelinjer for at bestemme, hvor meget hver afstamning voksede i forhold til den samlede cellevækst i prøven. Dette fortalte dem, hvilken af ​​disse grupper, der var mest aktive.

Forskerne brugte disse forbindelser i koncentrationer af størrelsesorden større end mikroberne nogensinde ville se i naturen. "Vi tog en eksperimentel berigelsestilgang, " sagde Carlson. "Hvis vi giver dem det i forhøjede koncentrationer, vil de bruge det? Og hvis de bruger det, hvem bruger det?"

De fandt ud af, at på trods af stoffernes fælles egenskaber, deres tilgængelighed for mikroberne var forskellig mellem de forskellige slægter. "Nogle af forbindelserne var meget let at bruge, sagde Carlson, "mens andre var mere modstandsdygtige over for nedbrydning, som lignin og humussyre."

Eksperimentet bekræftede også holdets hypotese om, at mikrober, der er relativt mere almindelige i mesopelagiske, snarere end havets overflade, var i stand til at nedbryde og bruge disse hårde forbindelser. Dette fund var tidligere blevet antydet fra genomiske undersøgelser af deres medforfattere og samarbejdspartnere Stephen Giovannoni og Jimmy Saw ved Oregon State University.

Liu og Carlson, blandt andre forskere, antage, at den mesopelagiske zone er vært for et særskilt samfund af mikrober med evnen til at drage fordel af materiale uberørt af mikroberne, der lever ovenover. Overfladebakterier skal bruge mere energi på at binde næringsstoffer som nitrogen og fosfor, som er få i det øvre hav. Derimod det fotosyntetiske plankton, der lever i den solbeskinnede overflade, giver let fordøjeligt kulstof. Som resultat, overflademikrober bruger sandsynligvis de mest tilgængelige former for kulstof i stedet for at synke energi i mere resistente organiske forbindelser.

I mellemtiden nitrogen og fosfor er rigeligt dybere i den mesopelagiske zone, ifølge forskerne. Som resultat, mikrober, der lever der, kan have ressourcer og energi til at investere i at nedbryde og absorbere mere genstridige former for kulstof, som CRAM'er.

Lige nu, forholdet mellem nedbrydningen af ​​CRAM'er og tilstedeværelsen af ​​visse mikrober i den mesopelagiske zone er blot en korrelation, Liu forklarede. Hun håber at etablere en årsagssammenhæng ved at spore kulstoffet fra CRAM-forbindelser, når de nedbrydes, og se om det optages af de mikrober, hun studerer.

Liu og Carlson planlægger at bruge forbindelser og koncentrationer, der ligner det faktiske havvand i kommende eksperimenter. En af deres kolleger bruger massespektrometri til at karakterisere opløste organiske forbindelser i havvand, inklusive nogle CRAM'er. Når flere karakteristika for disse forbindelser er identificeret, Liu kan bruge lignende metoder til at udvinde organiske komponenter fra miljøet og udføre et lignende eksperiment.

"Mikrober er de organismer, der driver disse store biogeokemiske kredsløb, " sagde Carlson. "Der er så mange af dem, de vokser så hurtigt, og de vender så hurtigt. De kan omdanne hele økosystemers kemiske fordelinger. At studere, hvad der styrer væksten af ​​havets mindste organismer, har store konsekvenser for, hvordan kemiske kredsløb styres i havet."