Морским существам тоже нужно ходить в туалет, причем в аквариумах, что создает задачу по очистке воды от таких отходов, как аммиак, нитриты и нитраты. Полезные бактерии расщепляют соединения азота в Аквариуме Джорджии, и новое исследование показало, что некоторые бактериальные сообщества удивительно хорошо подражают тем, которые естественным образом обитают в океанах.
«Это было феноменально. Я этого не ожидал», - сказал Фрэнк Стюарт, главный исследователь исследования, проведенного Технологическим институтом Джорджии. «Микробные сообщества засеяны микробами, поступающими от животных и их пищи в аквариуме, который не имеет выхода в океан. Но они выглядели как естественные морские микробные сообщества».
Это радостная новость для тысяч представителей морской фауны, включая китовых акул, скатов манта и морскую черепаху по имени «Танк», которые живут в Ocean Voyager в Аквариуме Джорджии, крупнейшей крытой океанической выставке в Соединенных Штатах, насчитывающей почти 24 человека. миллионов литров (6,3 миллиона галлонов) морской воды. Исследователи проанализировали два бактериальных сообщества на выставке с течением времени и обнаружили, что некоторые сообщества справляются с уборкой лучше, чем другие.
'Настоящий переломный момент'
«Бактериальный анализ действительно изменил правила игры в аквариуме Джорджии», - сказал Эрик Холл, участвовавший в исследовании и являющийся старшим директором по системам жизнеобеспечения и качеству воды в аквариуме. «Теперь мы гораздо лучше понимаем, как выглядит это полезное бактериальное микросообщество, живущее в воде среды обитания и в наших фильтрах».
Исследователи хотели бы, чтобы их непрерывная работа помогла операторам аквариумов во всем мире оптимизировать колонии бактерий для максимальной очистки воды. Технологический институт Джорджии и Аквариум Джорджии, некоммерческая организация по изучению морских обитателей, опубликовали свой анализ в журнале «Прикладная и экологическая микробиология» в пятницу, 29 сентября 2018 года.
Первым автором был Эндрю Бернс, научный сотрудник лаборатории Стюарта. Исследование финансировалось Фондом Саймонса, Национальным научным фондом и Фондом Тизли.
Рыбные какашки прочь
Чтобы оставаться свежей, вода в Ocean Voyager проходит ряд процессов очистки. В аквариуме, как и в океане, бактерии расщепляют экскременты, аммиак и другие отходы, после чего вода аквариумного экспоната проходит через фильтры, удаляющие больше веществ, в том числе нитриты.
Вода также проходит через специальные бактериальные реакторы, и к тому времени она освобождается почти от всего, кроме нитратов, которые могут стать токсичными, если их концентрация достигает высоких значений. В реакторах колонии бактерий, которым посвящено это исследование, расщепляют нитраты.
Реакторы, или «площадки», почти не содержат кислорода и предлагают бактериям серу в качестве пищи. Таким образом, анаэробные бактерии собираются там, чтобы «съесть» серу и «выдохнуть» нитраты, чтобы сформировать газообразный азот, который может пузыриться в атмосфере. Атмосфера Земли естественным образом состоит примерно из 78 процентов азота.
Пестрый бактериальный сюрприз
Бактериальные сообщества, с которыми исследователи столкнулись в двух изученных ими площадках, не оправдали ожиданий. Во-первых, исследователи думали, что они могут обнаружить, что в обеих подушечках преобладает знаковая денитрифицирующая бактерия под названием Thiobacillus denitrificans, которую можно использовать для ручного посева в профессиональных и домашних аквариумах. Они этого не сделали.
«Это, безусловно, появилось в наших системах, но гены инструментов, которые Thiobacillus denitrificans несут для выполнения этих процессов, были широко распространены среди многих различных видов микробов», - сказал Стюарт, доцент Технологического института Джорджии. Школа биологических наук.«Уровни разнообразия были просто выдающимися».
Кроме того, составы бактериальных сообществ на двух площадках были практически полярными противоположностями друг друга.
«В одной из площадок у нас был один вид, составлявший около 90 процентов сообщества», - сказал Бернс. Это был штамм, относящийся к виду Thiobacillus thioparus. «На другой площадке было гораздо более разнообразное сообщество с множеством разных видов и даже родов». (Род - это таксономическая категория над видами.)
Даже глядя на некоторых из основных участников, был один род Sulfurimonas (бактерий), и даже у них была масса различных видов, около 150 видов или вариантов штаммов вместо, скажем, десяти, которые могли бы быть ожидалось», - сказал Стюарт.
Бактериальный драфт НФЛ
Как и спортивные команды, два бактериальных сообщества собрали разных игроков. В одной команде был один большой звездный игрок, а другая команда распределила навыки, необходимые для всех химических этапов, более равномерно по всей команде.
«Мы обнаружили, что во многих из этих систем одна бактерия станет основным вкладчиком, и что она превзойдет всех остальных, станет большей частью сообщества и будет выполнять большую часть метаболизма», - сказал Бернс. «В нашем исследовании оказалось, что эта прокладка лучше подходит для денитрификации».
Но это может работать и наоборот, что определенные смешанные бактериальные сообщества могут работать более эффективно, сказал Бернс, и даже в системах, где один игрок является звездой, разнообразие может добавить силы.
«Это может дать резервную копию этой бактериальной системе», - сказал Бернс. «Если бы он полагался только на одного крупного игрока, если бы с ним что-то случилось, вся система могла бы рухнуть».
«Что действительно интересно, так это то, сколько определенных видов существует в нашей системе, и особенно узнать, что они делают», - сказал Холл. «Эти микроскопические существа не просто слоняются, но на самом деле делают полезные для нашей воды вещи, о которых мы раньше не догадывались."
Слишком рано давать рекомендации, но, учитывая первоначальные наблюдения, исследователи считают, что любой, кто пытается оптимизировать бактерии для аквариума, может не обязательно добавлять один большой организм в систему извне. Вместо этого, уговорив большое бактериальное сообщество самосбориться, можно максимизировать очищающую способность.