Kilometers onder het oppervlak van de oceaan in de donkere afgrond, enorme gemeenschappen van microben onder de zeebodem bij diepzee-warmwaterbronnen zetten chemicaliën om in energie die het diepzeeleven in staat stelt te overleven - en zelfs te gedijen - in een wereld zonder zonlicht. Tot nu, echter, het meten van de productiviteit van microbengemeenschappen onder de zeebodem - of hoe snel ze chemicaliën oxideren en de hoeveelheid koolstof die ze produceren - is bijna onmogelijk geweest.

Een nieuwe studie door wetenschappers van het Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) heeft onthuld dat deze op microben gebaseerde ecosystemen verrassend productief zijn en een belangrijke rol spelen bij het ondersteunen van het leven hoger in de voedselketen in de voedselarme diepe oceaan. Ze schatten dat wereldwijd, diepzee hydrothermale microbiële gemeenschappen kunnen meer dan 4, 000 ton organische koolstof per dag, de bouwsteen van het leven. Dat is ongeveer dezelfde hoeveelheid koolstof in 200 blauwe vinvissen, waardoor deze ecosystemen per volume tot de meest productieve van de oceaan behoren. De studie verschijnt in de 11 juni, 2018, probleem van Proceedings van de National Academy of Sciences .

"We ontdekten dat microbiële gemeenschappen die onder de zeebodem leven bij ventilatieopeningen vergelijkbare hoeveelheden koolstof kunnen genereren als de bekende dierengemeenschappen boven de zeebodem, zoals de kokerwormen, waarvan bekend is dat ze net zo productief zijn als ecosystemen in het regenwoud, zei Stefan Sievert, een microbioloog bij WHOI en senior auteur van de studie. "De aanzienlijke hoeveelheden koolstof die deze organismen dagelijks produceren, vormen een belangrijke bron van voedsel en energie voor andere organismen in de diepzee, waar over het algemeen veel minder koolstof beschikbaar is." Omdat koolstof van het ontbindende zeeleven van het oppervlaktewater naar de diepte zakt, bacteriën en andere micro-organismen vreten eraan totdat het verwelkt tot zeekraakbeen. "Wat er van de oppervlakte naar deze diepten komt, is niet zo veel, en niet erg verteerbaar voor het diepzeeleven, " zei Jesse McNichol, die dit werk als Ph.D. student aan de WHOI en is de eerste auteur van de studie.

De microben bij ventilatieopeningen krijgen hun energie om te leven en te groeien door chemosynthese, zich voedend met een chemische cocktail van hete hydrothermische vloeistoffen die uit de oceaankorst komen. En zij, beurtelings, vertegenwoordigen de basis van het voedselweb, het verstrekken van voedsel aan andere organismen die voorgevormde organische stof nodig hebben, net zoals mensen dat doen.

"Dus de microben spelen een belangrijke rol door nieuwe koolstofbronnen te genereren die andere organismen kunnen consumeren, " zei McNichol. "Gebaseerd op het relatief kleine gebied dat ventilatieopeningen innemen op de zeebodem, de algehele productiviteit daar beneden is klein vergeleken met wat we aan de oppervlakte zien, maar een klein beetje kan een lange weg gaan in de diepe zee en het creëert ook hotspots van activiteit in de buurt van ventilatieopeningen."

Het meten van de productiviteit van microbengemeenschappen onder de zeebodem was een ontmoedigende taak. Om het te bereiken, de onderzoekers verzamelden microbemonsters van een goed bestudeerde ventilatieplaats op de East Pacific Rise, bekend als Crab Spa. De ontluchtingsvloeistoffen werden opgevangen in containers voor watermonstername, bekend als Isobaric Gas-Tight Samplers (IGT's), die zijn ontworpen om de extreme druk van de natuurlijke diepzeeomgeving waar de microben leven te behouden. "Als je de monsternemers naar de oppervlakte brengt zonder de druk op de zeebodem te handhaven, " legde Jeff Seewald uit, een geochemicus bij WHOI die deze samplers heeft ontwikkeld en co-auteur is van de studie, "gassen opgelost in de vloeistof zullen ontgassen, vergelijkbaar met wanneer u een fles bruisend water opent. Dit kan de chemie van de vloeistof en de activiteit van de microben veranderen."

In het labortorium, diepzeedrukken en temperaturen werden gehandhaafd terwijl de onderzoekers chemicaliën zoals nitraat, Hydrogen gas, en zuurstofgas naar de monsters. Door dit proces, de wetenschappers konden meten met welke snelheid de microben specifieke chemicaliën consumeerden en hoe efficiënt ze deze in biomassa omzetten, een kritische parameter om de productiviteit van het microbiële ecosysteem te bepalen.

Om dit te doen, de WHOI-wetenschappers werkten samen met onderzoekers in Leipzig, Duitsland, om een ​​nieuwe analytische methode te gebruiken die bekend staat als NanoSIMS, waardoor ze de identiteit van microben kunnen matchen met hun koolstofproductie onder verschillende incubatieomstandigheden op het niveau van individuele microbiële cellen, waaruit blijkt dat microben bekend als Campylobacteria (voorheen bekend als Epsilonproteobacteria) de dominante koolstofproducenten waren.

"Sommige microben in de incubaties verdubbelden hun populatie in slechts een paar uur", zei Sievert. "Dit wijst op een zeer actieve biosfeer onder de zeebodem bij diepzee-openingen."

Gezien de cruciale rol die deze microbiële gemeenschappen spelen in de diepe oceaan, de wetenschappers zijn op zoek naar nieuwe en meer routinematige manieren om productiviteit mijlen onder het zeeoppervlak te meten. Onlangs, Sievert samen met WHOI-microbioloog Craig Taylor, microbiële biogeochemicus Jeremy Rich aan de Universiteit van Maine, en ingenieurs van WHOI hebben financiering ontvangen van de National Science Foundation om een ​​nieuw type bemonsteringsinstrument te ontwikkelen dat bekend staat als het Vent-Submersible Incubation Device ("Vent-SID") dat een aanvulling vormt op de op IGT gebaseerde benadering.

"Het is ontworpen om microben te incuberen en hun activiteiten direct op de zeebodem te meten, " legde Sievert uit, het minimaliseren van de tijd voordat incubaties kunnen beginnen na het nemen van een monster. Vooruit gaan, de wetenschappers zijn ook van plan om de microbiële productiviteit te meten op andere ventilatieplaatsen over de hele oceaan om de schattingen die in het huidige onderzoek zijn verkregen, te verfijnen.

"We hebben een type ventilatiesysteem bestudeerd dat vrij veel voorkomt, maar we willen kijken naar andere ventilatieplaatsen waar een overvloed aan andere chemicaliën is, zoals waterstof, bijvoorbeeld, en kijk of de productiviteitswaarden aanzienlijk veranderen, ' zei Mc Nichol.