Forskere udforsker havmikrobers rolle i klimaeffekter

En ny undersøgelse viser, at "hotspots" af næringsstoffer omkring fytoplankton - som er små marine alger, der producerer cirka halvdelen af ​​den ilt, vi indånder hver dag - spiller en overordnet rolle i frigivelsen af ​​en gas involveret i skydannelse og klimaregulering.

Den nye forskning kvantificerer den måde, specifikke marine bakterier behandler et nøglekemikalie kaldet dimethylsulfoniopropionat (DMSP), som produceres i enorme mængder af planteplankton. Dette kemikalie spiller en central rolle i den måde, hvorpå svovl og kulstof bliver forbrugt af mikroorganismer i havet og frigivet til atmosfæren.

Arbejdet rapporteres i journalen Naturkommunikation , i et papir af MIT kandidatstuderende Cherry Gao, tidligere MIT-professor i civil- og miljøteknik Roman Stocker (nu professor ved ETH Zürich, i Schweiz), i samarbejde med Jean-Baptiste Raina og professor Justin Seymour fra University of Technology Sydney i Australien, og fire andre.

Mere end en milliard tons DMSP produceres årligt af mikroorganismer i havene, tegner sig for 10 procent af det kulstof, der bliver optaget af fytoplankton - et stort "dræn" for kuldioxid, uden hvilken drivhusgassen ville opbygges endnu hurtigere i atmosfæren. Men præcis, hvordan denne forbindelse bliver behandlet, og hvordan dens forskellige kemiske veje indgår i globale kulstof- og svovlkredsløb, havde ikke været velforstået indtil nu, siger Gao.

"DMSP er en vigtig næringsstofkilde for bakterier, " siger hun. "Det opfylder op til 95 procent af bakteriel svovlbehov og op til 15 procent af bakteriel kulstofbehov i havet. Så i betragtning af den allestedsnærværende og overflod af DMSP, vi forventer, at disse mikrobielle processer vil spille en væsentlig rolle i den globale svovlcyklus."

Gao og hendes medarbejdere genmodificerede en marin bakterie kaldet Ruegeria pomeroyi, får det til at fluorescere, når en af ​​to forskellige veje til behandling af DMSP blev aktiveret, tillader det relative udtryk for processerne at blive analyseret under en række forskellige forhold.

En af de to veje, kaldet demethylering, producerer kulstof- og svovlbaserede næringsstoffer, som mikroberne kan bruge til at opretholde deres vækst. Den anden vej, kaldet spaltning, producerer en gas kaldet dimethylsulfid (DMS), som Gao forklarer "er den forbindelse, der er ansvarlig for lugten af ​​havet. Jeg lugtede faktisk meget havet i laboratoriet, da jeg eksperimenterede."

DMS er den gas, der er ansvarlig for det meste af det biologisk afledte svovl, der kommer ind i atmosfæren fra havene. En gang i atmosfæren, svovlforbindelser er en nøglekilde til kondensering af vandmolekyler, så deres koncentration i luften påvirker både nedbørsmønstre og atmosfærens overordnede reflektionsevne gennem skygenerering. At forstå den proces, der er ansvarlig for en stor del af denne produktion, kan være vigtig på flere måder for at forfine klimamodeller.

Disse klimaimplikationer er "hvorfor vi er interesserede i at vide, hvornår bakterier beslutter at bruge spaltningsvejen versus demethyleringsvejen, "for bedre at forstå, hvor meget af det vigtige DMS bliver produceret under hvilke forhold, siger Gao. "Dette har været et åbent spørgsmål i mindst to årtier."

Den nye undersøgelse viste, at koncentrationen af ​​DMSP i nærheden regulerer, hvilken vej bakterierne bruger. Under en vis koncentration, demethylering var dominerende, men over et niveau på omkring 10 mikromol, spaltningsprocessen dominerede.

"Det, der virkelig overraskende for os var, ved at eksperimentere med de manipulerede bakterier, vi fandt, at koncentrationerne af DMSP, hvori spaltningsvejen dominerer, er højere end forventet - størrelsesordener højere end den gennemsnitlige koncentration i havet, " hun siger.

Det tyder på, at denne proces næppe finder sted under typiske havforhold, konkluderede forskerne. Hellere, mikroskala "hotspots" med forhøjet DMSP-koncentration er sandsynligvis ansvarlige for en meget uforholdsmæssig mængde af global DMS-produktion. Disse mikroskala "hotspots" er områder omkring visse fytoplanktonceller, hvor ekstremt høje mængder af DMSP er til stede omkring tusind gange større end den gennemsnitlige oceaniske koncentration.

"Vi lavede faktisk et co-inkubationseksperiment mellem de konstruerede bakterier og et DMSP-producerende planteplankton, " siger Gao. Eksperimentet viste "at ja, bakterier øgede deres ekspression af den DMS-producerende vej, tættere på planteplanktonet."

Den nye analyse skal hjælpe forskere med at forstå nøgledetaljer om, hvordan disse mikroskopiske marine organismer, gennem deres kollektive adfærd, påvirker biogeokemiske og klimatiske processer i global skala, siger forskerne.