Van microben die de oceanen van natuurlijke mest voorzien door stikstof uit de atmosfeer te "fixeren" in een vorm die door andere organismen kan worden gebruikt, werd ooit gedacht dat ze beperkt waren tot warme tropische en subtropische wateren. Nutsvoorzieningen, echter, onderzoekers hebben stikstoffixatie gedocumenteerd door een ongebruikelijk type cyanobacteriën in de koude wateren van de Bering- en Chukchi-zee.

"Dit druist in tegen alle aannames uit het leerboek over waar stikstoffixatie plaatsvindt. Alle wiskundige modellen voor stikstoftoevoer naar de oceanen worden beperkt door de temperatuur vanwege deze onderliggende aanname, " zei Jonathan Zehr, hoogleraar oceaanwetenschappen aan UC Santa Cruz en senior auteur van een paper over de nieuwe bevindingen die maandag zijn gepubliceerd, 10 december in Proceedings van de National Academy of Sciences .

Katie Harding, een afgestudeerde student in Zehr's lab en eerste auteur van het artikel, legde uit dat in veel delen van de oceanen, productiviteit wordt beperkt door de beschikbaarheid van stikstof. "Stikstoffixatie voedt de voedselketen in sommige gebieden, dus het is belangrijk om te begrijpen wat alle bronnen zijn, " ze zei.

De stikstofbinding die Harding in het noordpoolgebied heeft ontdekt, wordt uitgevoerd door een organisme genaamd UCYN-A, die voor het eerst werd ontdekt door de groep van Zehr in de open oceaan bij Hawaï. Na het vinden van DNA-bewijs van een voorheen onbekende stikstofbindende microbe, Het laboratorium van Zehr identificeerde het uiteindelijk als een soort cyanobacteriën die vreemd genoeg de capaciteit voor fotosynthese miste. Eindelijk, in 2012, ontdekten ze dat het in een nauwe symbiose leeft met een soort kleine, eencellige algen. In dit wederzijds voordelige partnerschap, UCYN-A levert vaste stikstof, terwijl de haptofytenalg vaste koolstof levert door middel van fotosynthese.

In de tussentijd, Zehr en andere onderzoekers vonden de nieuw ontdekte UCYN-A in steeds grotere delen van de oceaan, eerst in kustwateren en vervolgens in wateren zo ver noordelijk als de Deense Straat. UCYN-A kan niet in het laboratorium worden gekweekt, maar het kan worden geïdentificeerd en geïsoleerd uit watermonsters met behulp van geavanceerde technieken voor celsortering en gensequencing.

De nieuwe studie laat niet alleen zien dat het kan bestaan ​​in het noordpoolgebied, maar dat het functioneel is en stikstof vasthoudt in Arctische wateren met temperaturen onder de 4 graden Celsius (40 graden Farhrenheit). "Het zijn niet alleen cellen die op oceaanstromingen naar het Noordpoolgebied drijven. Het is actief, en het is de enige echte cyanobacteriële stikstoffixer in het noordpoolgebied, ' zei Zehr.

Cyanobacteriën (ooit misleidend aangeduid als blauwgroene algen) zijn bacteriën die kunnen fotosynthetiseren zoals planten, hoewel UCYN-A dit vermogen lijkt te hebben verloren. Slechts enkele cyanobacteriën kunnen stikstof binden, inclusief Trichodesmium, die ooit werd beschouwd als de belangrijkste bron van stikstofbinding in de open oceaan. Trichodesmium, echter, groeit niet in wateren koeler dan 20 graden Celsius (68 graden Fahrenheit).

"Het is moeilijk om de stikstofbinding in watermonsters te meten en te bepalen welk organisme hoeveel doet, maar ik vermoed dat als je de wereldwijde stikstoffixatie door UCYN-A zou optellen, het is een substantiële en mogelijk de grootste bron van stikstof in de oceaan, ' zei Zehr.

Hoewel het nog niet is gevonden in de Zuidelijke Oceaan rond Antarctica, Zehr zei dat dit waarschijnlijk de volgende plaats is waar hij ernaar zal zoeken. Toen zijn medewerkers van het Virginia Institute of Marine Science voor het eerst voorstelden om in het noordpoolgebied te gaan kijken, hij aarzelde. "Ik had niet verwacht dat ik veel stikstoffixatie zou vinden, laat staan ​​stikstofbindende cyanobacteriën. Het gaat gewoon om te laten zien, je weet het niet totdat je kijkt, " hij zei.

"Een van de interessante vragen vanuit biologisch oogpunt is hoe UCYN-A zo'n breed temperatuurbereik kan verdragen, vooral wanneer het temperatuurbereik voor Trichodesmium zo smal is, ' zei Harding.

Op een onderzoekscruise vanuit Nome, Alaska, in september 2016, Harding en andere leden van het team verzamelden en verwerkten watermonsters voor analyse in het laboratorium. De verwerking aan boord omvatte het incuberen van monsters met stikstof-15, zodat elke nieuw gefixeerde stikstof zou worden gelabeld met de zware isotoop. Dit stelde de onderzoekers in staat om stikstofbindingssnelheden te meten en aan te tonen dat UCYN-A actief stikstof fixeerde. Terug in het laboratorium, ze gebruikten fluorescerende labeling om UCYN-A te identificeren en een geavanceerde massaspectrometrietechniek om stikstof-15 in de cellen van UCYN-A en zijn algensymbiont te detecteren.

De stikstofbindingssnelheden die ze in de Chukchi-zee hebben gemeten, waren relatief laag, maar de tarieven in de Beringzee (bij 10 graden Celsius) waren vergelijkbaar met die gemeten in veel warmere wateren. Stikstoffixatie door UCYN-A was verantwoordelijk voor alle stikstoffixatie gemeten in de Beringzee, maar vertegenwoordigde slechts een fractie van het totaal in de Chukchi-zee.

"De tarieven in het noordpoolgebied zijn vrij laag, dus UCYN-A is daar nu misschien niet zo belangrijk. Maar als de opwarming van het noordpoolgebied doorgaat, het zal steeds belangrijker worden als stikstofbron in arctische ecosystemen, ' zei Zehr.