Een wetenschappelijke ontdekking begint vaak met een toevallige observatie van een open geest die het potentieel ervan beseft. Dit gebeurt keer op keer in de Advanced Research Training-cursussen van MBL. Een nieuw inzicht leidt tot een cursusonderzoeksproject dat, nadat de cursus is afgelopen, kan uitgroeien tot een volledige wetenschappelijke samenwerking die cursisten over de hele wereld blijft verbinden.

In 2014, studenten en docenten van de MBL-cursus Microbiële Diversiteit maakten zo'n toevallige observatie. Een team heeft het de komende jaren opgevolgd en vorige week, publiceerden hun inzichten in het tijdschrift Milieu-microbioom .

Het verhaal begon bij de Trunk River-lagune, in de buurt van het Shining Sea-fietspad in Falmouth, Massa., dat al tientallen jaren een "natuurlijk laboratorium" is voor de cursus Microbiële Diversiteit, samen met andere lokale veldlocaties, zoals Sippewissett Marsh. (De cursus, opgericht bij MBL in 1971 door Holger Jannasch, dit jaar haar 50-jarig jubileum viert).

"Een paar dagen nadat we door het ondiepe deel van de Trunk River-lagune waren gewaad, onze voetafdrukken werden geel, " zegt senior auteur Emil Ruff, een cursus onderwijsassistent in 2014-15 en nu een wetenschapper in het MBL's Ecosystems Center en Josephine Bay Paul Center.

Ruff veronderstelde dat de gele suspensie (die de cursisten microbiële "limonade" noemden) een zwavelbloei was die werd gegenereerd door micro-organismen die fotosynthese koppelen aan de oxidatie van zwavel. De voetstappen van de studenten hebben waarschijnlijk rottend zeegras en ander organisch materiaal aangezet, het vrijgeven van sulfide in het water en het creëren van een habitat die geschikt is voor zeldzame microben om te bloeien.

Bloei van micro-organismen is niet ongewoon in waterlichamen. Sommige zijn zo groot dat ze zichtbaar zijn vanaf satellieten. Sommige zijn schadelijk, omdat ze giftig kunnen zijn voor dieren, of leiden tot zuurstoftekort in bepaalde delen van de oceaan. Bloei gegenereerd door hoge sulfideconcentraties is over het algemeen een punt van zorg, omdat ze giftig kunnen worden voor vissen, mosselen en vogels. Er zijn veel open vragen over wat bloeivorming en instorting veroorzaakt.

Het volgende jaar, Ruff en een team van de cursus Microbial Diversity keerden terug naar Trunk River met het doel om opzettelijk bloemen te creëren en te volgen om te bestuderen hoe microbiële gemeenschappen zich in de loop van de tijd vormen en veranderen. Ze groeven gaten in de lagune en voegden palen toe waarmee ze dagelijks van verschillende diepten konden bemonsteren zonder de waterkolom te verstoren.

"Vaak in de microbiële ecologie, we proberen een ecosysteem in zijn stabiele toestand te begrijpen. Maar het blijft onduidelijk hoe lang het duurt voordat een ecosysteem zich herstelt na een verstoring en wat er nodig is om een ​​diverse [microbiële] gemeenschap tot stand te brengen, ", zegt Ruff. Dankzij het experimentele ontwerp kon het onderzoeksteam de microbiële gemeenschap volgen terwijl deze zich begon te verzamelen, gerijpt en gelaagd in de tijd, en stortte in aan het einde van de bloei.

Het begrijpen van deze dynamiek is vooral belangrijk in estuariene ecosystemen, zoals de Trunk River-lagune, die zijn blootgesteld aan natuurlijke en menselijke verstoringen. Estuaria bieden niet alleen belangrijke bescherming tegen kusterosie, ze vangen ook koolstof uit de atmosfeer en vangen het op. Ze dienen ook als voedselbron en broedplaats voor een groot deel van de biodiversiteit aan de kust.

"De ecologie en biogeochemie die de zwavelgedreven bloei veroorzaakten, hebben ons laten zien hoe snel dingen kunnen veranderen, en hoe ecosystemen en microbiomen snel kunnen veranderen bij verstoringen, ' zegt Ruf.

Een verrassende bevinding was waar de microben van de bloei - anoxygene fototrofen genoemd - optimale leefomstandigheden vonden. Voorafgaand aan de studie, algemeen werd aangenomen dat veel van de bloeimicroben niet konden groeien in aanwezigheid van zuurstof. Het vinden van hen in licht oxische wateren bracht de onderzoekers ertoe hun genomen te onderzoeken. Ze ontdekten dat bepaalde soorten Chlorobiales - de bacteriële afstamming die verantwoordelijk is voor het grootste deel van de bloeibiomassa en de gele kleur - enzymen coderen die zuurstofstress bestrijden, wat de zuurstoftolerantie van de microben zou kunnen verklaren. Deze en andere inzichten hebben al geleid tot nieuwe cursusonderzoeksprojecten.

Zoals de verschillende functies van de microben in de estuariene gemeenschap van de Trunk River, de cursus Microbiële Diversiteit brengt docenten samen, docenten en studenten met verschillende achtergronden en onderzoeksfocussen.

"Wat ik opmerkelijk vond, is het scala aan expertise in de cursus, " zegt Ruff. "Je kunt een groep onderzoekers samenstellen die naar alle aspecten van een ecosysteem kan kijken, inclusief microbiologie, natuurkunde, scheikunde en alles daartussenin. Deze holistische benadering is waar de cursus voor staat en die elk jaar doorgeeft aan haar studenten, de afgelopen 49 jaar."