Havaffaldshåndtering:Genanvendelse af marine mikrober

Den udbredte succes for marine thaumarchaea skyldes i høj grad deres evne til at omdanne sporkoncentrationer af ammoniak til nitrit, som giver dem energi til at reparere kulstof og producere ny biomasse i fravær af lys. Denne proces, kaldes nitrifikation, genbruger den kemiske energi, der oprindeligt stammer fra fotosyntese af marine alger og er en væsentlig komponent i den globale næringsstofcykling. Ved hjælp af en radiotracer -tilgang, et team af forskere fra Biology Center Czech Academy of Sciences (Budweis, Tjekkiet), MARUM — Center for Havmiljøvidenskab ved University of Bremen (Tyskland), og Max Planck Institute for Marine Microbiology (Bremen, Tyskland) har nu fastslået, at archaea fikserer cirka 3 mol kul for hver 10 mol ammoniak oxideret, og denne effektivitet varierer med cellulære tilpasninger til fosforbegrænsning.

"Thaumarchaea er aktive i hele havet, og deres store antal indebærer betydelige bidrag til globale cyklusser af kulstof (C) og nitrogen (N), "siger Travis Meador, der er hovedforfatter til undersøgelsen. "Hvor meget kulstof, der er fastsat af nitrifier, reguleres af mængden af ​​organisk nitrogen (energi), der dannes under fotosyntesen, den fysiologiske kobling af nitrifikation og kulstofassimilering, og tilsyneladende også deres evne til at få adgang til fosfor (P). "

Teamet vurderer, at disse kemoautotrofer genbruger cirka 5% af det kulstof og fosfor, der er assimileret af havalger og frigiver terragrammer (10 ¹² g) af opløst organisk materiale til havets indre hvert år. Disse resultater er nu offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

Lad dem spise ammoniak

Ammoniak i havet stammer fra nedbrydning af organisk stof produceret af fototrofer i overfladevand og er en værdifuld kilde til energi og ernæring for eukarya, bakterie, og archaea ens. Kulturstudier af thaumarchaeon Nitrosopumilus maritimus har tidligere afsløret, at de små celler (Ø =0,17-0,22 μm) kan prale af enzymsystemer med en høj affinitet for ammoniak og den mest energieffektive C-fikseringsti i nærvær af ilt. "Disse tilpasninger gør thaumarchaea til oceanernes fremmeste energigenbruger, tillader dem at udkonkurrere deres bakterielle modstykker og oprette en separat niche, især i det dybe hav, hvor energien er begrænsende, "Meador sagde." Vores kolleger har foreslået, at de fleste organiske N, der eksporteres under havets euphotiske zone, til sidst brænder nitrifikation af thaumarchaea. Mens den globale eksportstrøm er blevet undersøgt i flere årtier, der har ikke været empiriske beviser for yderligere at forbinde ældgammel ammoniakoxidation med globale C -fikseringshastigheder, indtil nu."

Behovet for P.

Ud over deres vigtige bidrag til kemiske strømninger i det mørke havkemikalie, thaumarchaea er faktisk mere rigelige i den euphotiske zone, hvor størstedelen af ​​det organiske stof respires (til CO ₂ og ammoniak). Faktisk, de højeste ophobninger af ammoniak kan være placeret i bunden af ​​den euphotiske zone, hvor heterotrofiske bakterier lever af den synkende biomasse, der produceres i det varme, blandet lag overflade og under, hvor vandtemperaturerne falder hurtigt med dybden.

Denne zone, kendt som termoklin, oplever også store udsving i koncentration og omsætningstid for et andet vigtigt næringsstof, fosfat (P). Forskerne stillede således spørgsmålstegn ved, om thaumarchaeal adgang til fosfat kan kontrollere deres bidrag til genanvendt produktion i overfladehavet.

Forhører archaea med radioaktivitet

Ved at introducere radiomærket ¹⁴ C og ³³ P til kulturmediet, forfatterne kunne spore hastighederne på C og P, der blev assimileret i N. maritimus -celler og frigivet som opløst organisk kulstof og fosfor (DOC og DOP) metabolitter i kulturmedier. Normalisering af disse hastigheder til nitrifikation, forskerne genererede de første estimater af C, P, DOC, og DOP udbytter for en marine arkæon.

Resultatet af dette arbejde er, at globale C-fikseringshastigheder ved vidt distribueret thaumarchaea sandsynligvis er mindst tre gange højere end tidligere antaget. Også, C- og P-assimilering af marine archaea kan nu modelleres som direkte proportional med det berømte remineraliseringsforhold, der blev fastlagt af Alfred Redfield i midten af ​​det 20. århundrede. Forskerne fandt endvidere, at N. maritimus er egnet til at erhverve fosfat, men strategiske stigninger i cellulær fosfataffinitet kostede en pris på cirka 30% reduktion i C -fikseringseffektivitet. Disse resultater kan derfor forklare de vidtstrakte værdier af specifik nitrifikationshastighed observeret over havets overflade. Endelig, Meador siger, "Frigivelsen af ​​kemosyntetisk fremstillede forbindelser af thaumarchaea er mindre sammenlignet med det betydelige reservoir af opløste organiske næringsstoffer i havet, men det repræsenterer en frisk strøm af labile substrater i hele havets indre. "