Rond de wereld, brede delen van de open oceaan zijn bijna zonder zuurstof. Niet helemaal dode zones, het zijn "zuurstofminimumzones, " waar een samenloop van natuurlijke processen heeft geleid tot extreem lage zuurstofconcentraties.

Alleen de meest geharde organismen kunnen in zulke zware omstandigheden overleven, en nu hebben oceanografen van het MIT ontdekt dat deze taaie kleine levensvormen - meestal bacteriën - een verrassend lage limiet hebben voor de hoeveelheid zuurstof die ze nodig hebben om te ademen.

In een paper gepubliceerd door het tijdschrift Limnologie en oceanografie , het team meldt dat oceaanbacteriën kunnen overleven bij zuurstofconcentraties van slechts ongeveer 1 nanomolair per liter. Om dit in perspectief te plaatsen, dat is ongeveer 10, 000 keer lager dan wat de meeste kleine vissen kunnen verdragen en ongeveer 1, 000 keer lager dan wat wetenschappers eerder vermoedden voor mariene bacteriën.

De onderzoekers hebben ontdekt dat onder deze kritische grens, microben sterven ofwel af of schakelen over naar minder vaak voorkomende, anaërobe vormen van ademhaling, stikstof opnemen in plaats van zuurstof om te ademen.

Met klimaatverandering, de oceanen zullen naar verwachting een wijdverbreid zuurstofverlies ondergaan, mogelijk de verspreiding van zuurstofminimumzones over de hele wereld vergroten. Het MIT-team zegt dat het kennen van de minimale zuurstofvereisten voor oceaanbacteriën wetenschappers kan helpen beter te voorspellen hoe toekomstige deoxygenatie de balans van voedingsstoffen in de oceaan en de mariene ecosystemen die ervan afhankelijk zijn, zal veranderen.

"Er is een vraag, naarmate de circulatie en zuurstof in de oceaan veranderen:Gaan deze minimumzones voor zuurstof ondieper worden en ondieper worden, en het leefgebied voor die vissen aan de oppervlakte verkleinen?" zegt Emily Zakem, de hoofdauteur van het artikel en een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Het kennen van deze biologische controle op het proces is echt nodig om dat soort voorspellingen te doen."

De co-auteur van Zakem is EAPS Associate Professor Mick Follows.

Hoe laag gaat zuurstof?

Zuurstof minimumzones, soms aangeduid als "schaduwzones, " zijn meestal te vinden op een diepte van 200 tot 1, 000 meter. interessant, deze zuurstofarme gebieden bevinden zich vaak net onder een laag met hoge zuurstoffluxen en primaire productiviteit, waar vissen die dicht bij het oppervlak zwemmen in contact komen met de zuurstofrijke atmosfeer. Dergelijke gebieden genereren een enorme hoeveelheid organisch materiaal dat naar diepere lagen van de oceaan zakt, waar bacteriën zuurstof gebruiken - veel minder overvloedig dan aan de oppervlakte - om het afval te consumeren. Zonder een bron om de zuurstoftoevoer op zulke diepten aan te vullen, deze zones raken snel uitgeput.

Andere groepen hebben onlangs zuurstofconcentraties gemeten in verarmde zones met behulp van een zeer gevoelig instrument en waargenomen, tot hun verbazing, niveaus zo laag als een paar nanomolair per liter - ongeveer 1, 000 keer lager dan wat vele anderen eerder hadden gemeten - over honderden meters diepe oceaan.

Zakem en Follows probeerden een verklaring te vinden voor zulke lage zuurstofconcentraties, en keek naar bacteriën voor het antwoord.

"We proberen te begrijpen wat grote fluxen in het aardsysteem regelt, zoals concentraties van kooldioxide en zuurstof, die de parameters van het leven bepalen, " Zegt Zakem. "Bacteriën behoren tot de organismen op aarde die een integraal onderdeel zijn van het instellen van grootschalige nutriëntendistributies. Dus we kwamen hierin omdat we wilden ontwikkelen hoe we over bacteriën denken op klimaatschaal."

Een limiet instellen

De onderzoekers ontwikkelden een eenvoudig model om te simuleren hoe een bacteriecel groeit. Ze richtten zich op bijzonder vindingrijke soorten die kunnen schakelen tussen aerobe, zuurstofademende ademhaling, en anaëroob, niet op zuurstof gebaseerde ademhaling. Zakem en Follows gingen ervan uit dat wanneer zuurstof aanwezig is, zulke microben zouden zuurstof moeten gebruiken om te ademen, omdat ze daar minder energie aan zouden besteden. Wanneer de zuurstofconcentratie onder een bepaald niveau zakt, bacteriën moeten overschakelen op andere vormen van ademhaling, zoals het gebruik van stikstof in plaats van zuurstof om hun metabolische processen van brandstof te voorzien.

Het team gebruikte het model om de kritische limiet te identificeren waarbij deze omschakeling plaatsvindt. Als die kritische zuurstofconcentratie gelijk is aan de laagste concentraties die recentelijk in de oceaan zijn waargenomen, het zou suggereren dat bacteriën de laagste zuurstofzones van de oceaan reguleren.

Om de kritische zuurstoflimiet van bacteriën te identificeren, het team nam in zijn model verschillende belangrijke parameters op die een bacteriële populatie reguleren:de grootte van een individuele bacteriële cel; de temperatuur van de omgeving; en de omloopsnelheid van de bevolking, of de snelheid waarmee cellen groeien en afsterven. Ze modelleerden de zuurstofopname van een enkele bacteriële cel met veranderende parameterwaarden en ontdekten dat, ongeacht de wisselende omstandigheden, de kritische limiet van bacteriën voor zuurstofopname gecentreerd rond verdwijnend kleine waarden.

"Wat interessant is, we ontdekten dat in al deze parameterruimte, de kritische grens was altijd gecentreerd op ongeveer 1 tot 10 nanomolair per liter, "Zegt Zakem. "Dit is de minimale concentratie voor het grootste deel van de realistische ruimte die je in de oceaan zou zien. Dit is handig omdat we nu denken dat we een goede greep hebben op hoe laag zuurstof in de oceaan komt, en [we stellen voor] dat bacteriën dat proces beheersen."

Oceaan vruchtbaarheid

Ergens naar uitkijken, Zakem zegt dat het eenvoudige bacteriële model van het team kan worden opgevouwen in wereldwijde modellen van atmosferische en oceaancirculatie. Deze toegevoegde nuance, ze zegt, kan wetenschappers helpen beter te voorspellen hoe veranderingen in het wereldklimaat, zoals wijdverbreide opwarming en deoxygenatie van de oceaan, bacteriën kunnen beïnvloeden.

Hoewel het de kleinste organismen zijn, bacteriën kunnen mogelijk wereldwijde effecten hebben, zegt Zakem. Bijvoorbeeld, naarmate meer bacteriën overschakelen op anaërobe vormen van ademhaling in zuurstofarme zones, ze kunnen meer stikstof verbruiken en als bijproduct stikstofdioxide afgeven, dat als een krachtig broeikasgas weer in de atmosfeer kan worden vrijgegeven.

"We kunnen deze omschakeling in bacteriën zien als het bepalen van de vruchtbaarheid van de oceaan, "Zegt Zakem. "Als stikstof uit de oceaan verloren gaat, je verliest toegankelijke voedingsstoffen terug in de atmosfeer. Om te weten hoeveel denitrificatie en stikstofdioxideflux in de toekomst zullen veranderen, we moeten absoluut weten welke bedieningselementen overschakelen van het gebruik van zuurstof naar het gebruik van stikstof. In dat opzicht, dit werk is zeer fundamenteel."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.