Группа исследователей из Центра биологии Чешской академии наук (Будвейс, Чехия), MARUM - Центра наук о морской среде Бременского университета (Германия) и Института морской микробиологии им. Макса Планка (Бремен, Германия)) подсчитали, что эти хемоавтотрофы перерабатывают примерно 5 процентов углерода и фосфора, ассимилированных морскими водорослями, и ежегодно выделяют терраграммы (1012 г) растворенных органических веществ в глубь океана. Эти результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Широкий успех морских таумархий во многом обусловлен их способностью преобразовывать следовые концентрации аммиака в нитриты, что дает им энергию для связывания углерода и производства новой биомассы в отсутствие света. Этот процесс, называемый нитрификацией, перерабатывает химическую энергию, первоначально полученную в результате фотосинтеза морскими водорослями, и является важным компонентом глобального круговорота питательных веществ. Используя радиоиндикаторный подход, совместные исследования теперь определили, что археи фиксируют примерно 3 моля углерода на каждые 10 молей окисленного аммиака, и эта эффективность зависит от клеточной адаптации к ограничению фосфора. «Таумархии активны по всему океану, и их огромное количество подразумевает значительный вклад в глобальные циклы углерода (C) и азота (N)», - говорит Трэвис Мидор, ведущий автор исследования и получивший грант Немецкого исследовательского центра. Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG) для выполнения этой работы во время его работы в MARUM. «То, сколько углерода фиксируется нитрификаторами, регулируется количеством органического азота (энергии), которое создается во время фотосинтеза, физиологической связью нитрификации и ассимиляции углерода, а также, по-видимому, их способностью доступа к фосфору (P)."
Пусть едят аммиак
Аммиак в океане образуется в результате распада органического вещества, производимого фототрофами в поверхностных водах, и является ценным источником энергии и питания как для эукариот, так и для бактерий и архей. Исследования культуры таумархии Nitrosopumilus maritimus ранее показали, что крошечные клетки (Ø=0,17-0,22 мкм) могут похвастаться ферментными системами, обеспечивающими высокое сродство к аммиаку и наиболее энергоэффективный путь С-фиксации в присутствии кислорода. «Эти приспособления делают таумархии главными переработчиками энергии в океанах, позволяя им превзойти своих бактериальных собратьев и создать отдельную нишу, особенно в глубоком океане, где энергия ограничена», - сказал Меадор. «Наши коллеги предположили, что большая часть органического азота, который экспортируется ниже эвфотической зоны океана, в конечном итоге способствует нитрификации таумархиями. Хотя глобальный экспортный поток исследовался в течение нескольких десятилетий, не было никаких эмпирических доказательств того, что дальнейшее окисление аммиака архей связывается с глобальными темпами. C-фиксации до сих пор."
Потребность в P
В дополнение к их важному вкладу в химические потоки в темном океане, таумархии на самом деле более многочисленны в эвфотической зоне, где выдыхается большая часть органического вещества (до CO2и аммиак). Фактически, самые высокие скопления аммиака могут быть расположены в основании эвфотической зоны, где гетеротрофные бактерии питаются тонущей биомассой, образующейся в теплом поверхностном смешанном слое и ниже, где температура воды быстро снижается с глубиной.
Эта зона, известная как термоклин, также испытывает большие колебания концентрации и времени оборота другого ключевого питательного вещества, фосфата (P). Таким образом, исследователи задались вопросом, может ли доступ таумархеев к фосфатам контролировать их вклад в переработанное производство на поверхности океана.
Допрос архей с радиоактивностью
Вводя радиоактивно меченые 14C-бикарбонат и 33P-фосфат в культуральную среду, авторы смогли отслеживать скорость ассимиляции C и P в N.maritimus и выделяются в виде растворенных метаболитов органического углерода и фосфора (DOC и DOP) в культуральную среду. Приведя эти скорости к нитрификации, исследователи получили первые оценки выхода C-, P-, DOC- и DOP- для морского архея.
Знакомство с моделями
Результатом этой работы является то, что глобальные уровни C-фиксации широко распространенными таумархиями, вероятно, по крайней мере в 3 раза выше, чем предполагалось ранее. Кроме того, ассимиляция C- и P-морскими археями теперь может быть смоделирована как прямо пропорциональная известному коэффициенту реминерализации, установленному Альфредом Редфилдом в середине 20-го века. Исследователи также обнаружили, что N. maritimus способен усваивать фосфаты, но стратегическое увеличение клеточного сродства к фосфатам стоило примерно 30-процентного снижения эффективности С-фиксации. Таким образом, эти результаты могут объяснить широкий диапазон значений удельной скорости нитрификации, наблюдаемых на поверхности океана. Наконец, Меадор предвещает, что «выброс хемосинтетически произведенных соединений таумархиями незначителен по сравнению со значительным резервуаром растворенных органических питательных веществ в океане, но он действительно представляет собой свежий поток лабильных субстратов во все глубины океана».