Mariene bacteriën die in de donkere diepten van de oceaan leven, spelen een nieuw ontdekte en belangrijke rol in de wereldwijde koolstofcyclus, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in Wetenschap .

De "donkere oceaan" - alles wat onder de 200 meter ligt - vormt 90 procent van de oceaan. Er is heel weinig bekend over het microscopische leven in dit rijk en de cruciale rol ervan bij het omzetten van koolstofdioxide in celmateriaal, eiwitten, koolhydraten en lipiden. Dit vers geproduceerde organische materiaal kan vervolgens worden geconsumeerd door andere mariene organismen, waardoor de productiviteit van de oceaan wordt verbeterd.

De meeste donkere oceaankoolstof wordt gevangen in de mesopelagische zone, die tussen de 200 en 1000 meter onder het oceaanoppervlak ligt. Identiteiten van micro-organismen die dit proces uitvoeren en de betrokken energiebronnen zijn een groot mysterie gebleven. Door de genomen te analyseren die zijn gevonden in zeewatermonsters uit deze zone, wetenschappers van Bigelow Laboratory for Ocean Sciences hebben nu enkele van de belangrijkste bijdragen geïdentificeerd:nitrietoxiderende bacteriën.

"We wisten dat deze bacteriën er waren en betrokken waren bij de wereldwijde koolstofcyclus, maar hun rol is zoveel groter dan wat wetenschappers eerder dachten, " zei Maria Pachiadaki, postdoctoraal wetenschapper bij Bigelow Laboratory.

Deze bacteriën halen hun energie uit de oxidatie van stikstofverbindingen. Ze zijn goed voor minder dan 5 procent van de microbiële cellen in de donkere oceaan, waardoor wetenschappers voorheen hun bijdrage sterk onderschatten. Deze studie laat zien dat ondanks hun relatief lage abundantie, nitriet-oxiderende bacteriën vangen jaarlijks meer dan 1,1 gigaton koolstofdioxide op in de mesopelagische zone. Dit is vergelijkbaar met eerdere schattingen van de totale hoeveelheid koolstof die in de hele donkere oceaan is vastgelegd.

Het team analyseerde de samenstelling van microbiële mesopelagische gemeenschappen op basis van genetische informatie in zeewatermonsters van 40 locaties over de hele wereld. Vervolgens gebruikten ze eencellige genomics-tools om individuele cellen volledig te sequensen en hun biologie te onderzoeken op basis van hun genetische blauwdrukken.

"Vóór genomics-technieken, de donkere oceaan was een zwarte doos, omdat micro-organismen uit deze omgeving weigeren te groeien in onderzoekslaboratoria, " zei Ramunas Stepanauskas, een senior onderzoeker bij Bigelow Laboratory en directeur van het Single Cell Genomics Center. "Nutsvoorzieningen, met behulp van hedendaagse tools die zijn ontwikkeld door onze groep, we kunnen deze zwarte doos openen en begrijpen wie daar woont, wat ze aan het doen zijn, en hoe ze het doen."

Het onderzoek hierachter Wetenschap paper begon met een poging om nieuwe groepen microscopisch kleine organismen in de mesopelagische zone te identificeren. Volgens Pachiadaki, de eerder aanvaarde verklaring voor koolstofafvang in de donkere oceaan leek bij nader inzien niet correct. Archaea, een veel grotere groep micro-organismen in de donkere oceaan, werd gecrediteerd met het doen van het meeste werk, maar de wiskunde klopte gewoon niet. Het team ging op zoek naar de niet-geïdentificeerde organismen die de echte kampioenen waren van het afvangen van kooldioxide in de uitgestrekte donkere oceaan.

Het team analyseerde bijna 3, 500 genomen van bacteriën en archaea. Toen ze geen andere organismen vonden die de metabolische routes hadden om koolstof op te vangen en die in voldoende mate voorkwamen, ze begonnen de nitrietoxiderende bacteriën onder de loep te nemen.

Ongeveer 100 van de geanalyseerde genomen werden geïdentificeerd als nitrietoxiderende bacteriën, en het team heeft de genetische informatie van 30 representatieve organismen geselecteerd en volledig gesequenced.

"Als we de genomische gegevens niet hadden, we hadden waarschijnlijk nooit gedacht om de invloed van deze bacteriën op de koolstofcyclus te onderzoeken, ' zei Pachiadaki.

Gedurende de looptijd van het project, state-of-the-art genomics-technieken bleven zich snel ontwikkelen, en het Single Cell Genomics Center van Bigelow Laboratory voegde geavanceerde technologie toe waarmee de onderzoekers celdiameters konden schatten. Plotseling, de wetenschappers konden zien dat de nitrietoxiderende bacteriën veel groter waren dan de overvloedige archaea waarvan eerder werd gedacht dat ze verantwoordelijk waren voor het grootste deel van de koolstofopname in de donkere oceaan.

"Ze maken misschien maar 5 procent van de bevolking uit, maar de cellen van de nitriet-oxiderende bacteriën zijn 50 keer groter, ' zei Pachiadaki.

Om hun hypothese te verifiëren, het team ontwierp een reeks experimenten met medewerkers van de Universiteit van Wenen. De onderzoeksgroep van professor Gerhard Herndl nam zeewatermonsters uit de mesopelagische zone op meerdere locaties in de Noord-Atlantische Oceaan en voegde kooldioxide toe dat was gemarkeerd met een radioactief label. Hierdoor konden ze de hoeveelheid bepalen die door elke groep micro-organismen werd geabsorbeerd, wat de dominante rol van nitrietoxiderende bacteriën bij het vastleggen van koolstof bevestigde.

"Deze resultaten werpen nieuw licht op het verband tussen stikstof- en koolstofcycli in het binnenste van de oceaan, "Zei Herndl. "We hebben experimenteel de belangrijke rol aangetoond van nitrietoxidatiemiddelen bij het opvangen van koolstofdioxide in de donkere oceaan en verlichtten een groep microben die nog niet voldoende aandacht hebben gekregen voor hun impact in de oceanische koolstofcyclus."