Zeewater is meer dan alleen zout water. De oceaan is een ware soep van chemicaliën.

Een deel van die bouillon komt van opgeloste koolstofverbindingen, die goed zijn voor een aanzienlijke hoeveelheid wereldwijde koolstof, vergelijkbaar met de hoeveelheid die in de atmosfeer wordt vastgehouden. Onderzoekers werken actief aan het classificeren van de vormen die koolstof aanneemt in de oceanen van de wereld, evenals de biologische processen die het in het water van de oceaan recyclen.

Sommige moleculen, zoals eiwitten en suikers, gemakkelijk kapot gaan, terwijl andere beter bestand zijn tegen degradatie. Een nieuwe studie, onder leiding van UC Santa Barbara, postdoctoraal onderzoeker Shuting Liu, onderzocht enkele van deze meer recalcitrante verbindingen en de microben die ze kunnen verteren. De resultaten, die in het journaal verschijnen Limnologie en oceanografie , belichten de basisaspecten van de koolstofcyclus van de oceaan en kunnen wetenschappers helpen de rol die microben spelen bij de regulering ervan te voorspellen.

Liu en professor Craig Carlson, bij de afdeling Ecologie, Evolutie en Mariene Biologie, maken deel uit van een groep die onderzoek doet op de Bermuda Atlantic Time-series Study-site. De site is een langlopend onderzoeksproject in de Sargassozee, zelf een regio van de Atlantische Oceaan in de buurt van Bermuda. In de loop van vele jaren, de wetenschappers merkten tijdens de rustigere zomermaanden opgeloste organische stof op in oppervlaktewater. Ruwe omstandigheden in de winter vermengden deze verbindingen met dieper water, een laag die wetenschappers de mesopelagische zone noemen - of, de schemerzone, omdat het de laagste diepten overspant die licht kan bereiken. Toen dat eenmaal was gebeurd, een deel van de organische stof zou afbreken, en de cyclus zou opnieuw beginnen. Het team wilde graag begrijpen waarom.

Om dit te doen, Liu en haar collega's concentreerden zich op carboxylrijke alicyclische moleculen, of CRAM's, een bijzonder sterke en diverse reeks organische verbindingen met vergelijkbare chemische eigenschappen, waarvan sommige de meer vasthoudende organische moleculen in de oceaan bevatten.

Een klasse van verbindingen die past bij de CRAM-beschrijving zijn lignines, de groep moleculen die hout zijn stevigheid geven. In feite, Liu gebruikte lignine als een van de vier model CRAM-achtige verbindingen in haar experiment.

Het doel van het team was simpel. "We proberen te zien welke soorten microben reageren op deze CRAM-achtige verbindingen in de mesopelagische, " zei Liu.

De wetenschappers introduceerden hun vier model CRAM-verbindingen in monsters van zeewater uit de mesopelagische regio en observeerden de resultaten. Met verschillende tijdsintervallen, ze analyseerden de concentraties opgeloste organische koolstof en telden het totale aantal bacteriële cellen met behulp van een microscoop. De groep gebruikte ook moleculaire sondes die gericht waren op zes specifieke microbe-lijnen om te bepalen hoeveel elke lijn groeide ten opzichte van de totale celgroei in het monster. Dit vertelde hen welke van deze groepen het meest actief waren.

De onderzoekers gebruikten deze verbindingen in concentraties die orden van grootte groter waren dan de microben ooit in de natuur zouden zien. "We gebruikten een experimentele verrijkingsaanpak, "Zei Carlson. "Als we het ze in verhoogde concentraties geven, zullen ze het gebruiken? En als ze het gebruiken, wie gebruikt het?"

Ze vonden dat, ondanks de gedeelde kenmerken van de verbindingen, hun beschikbaarheid voor de microben verschilde tussen de verschillende geslachten. "Sommige verbindingen waren heel gemakkelijk te gebruiken, " zei Carlson, "terwijl andere beter bestand waren tegen degradatie, zoals de lignine en het humuszuur."

Het experiment bevestigde ook de hypothese van het team dat microben die relatief vaker voorkomen in de mesopelagische, in plaats van het oppervlak van de oceaan, waren in staat om deze taaie verbindingen af ​​te breken en te gebruiken. Deze bevinding was eerder geïmpliceerd uit genomische studies door hun co-auteurs en medewerkers Stephen Giovannoni en Jimmy Saw aan de Oregon State University.

Liu en Carlson, onder andere onderzoekers, veronderstellen dat de mesopelagische zone een duidelijke gemeenschap van microben herbergt met het vermogen om te profiteren van materiaal dat onaangetast is door de microben die erboven leven. Oppervlaktebacteriën moeten meer energie besteden aan het vasthouden van voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor, die schaars zijn in de bovenste oceaan. Daarentegen, het fotosynthetische plankton dat in het zonovergoten oppervlak leeft, zorgt voor licht verteerbare koolstof. Als resultaat, microben op het oppervlak gebruiken waarschijnlijk de meest toegankelijke vormen van koolstof in plaats van energie te zinken in meer resistente organische verbindingen.

In de tussentijd, stikstof en fosfor zijn overvloedig dieper in de mesopelagische zone, volgens de onderzoekers. Als resultaat, microben die daar leven, hebben misschien de middelen en energie om te investeren in het afbreken en absorberen van meer weerbarstige vormen van koolstof, zoals CRAM's.

Direct, de relatie tussen de afbraak van CRAM's en de aanwezigheid van bepaalde microben in de mesopelagische zone is slechts een correlatie, legde Liu uit. Ze hoopt een causaal verband te leggen door de koolstof van CRAM-verbindingen te volgen terwijl ze degraderen en te kijken of het wordt opgenomen door de microben die ze bestudeert.

Liu en Carlson zijn van plan om in komende experimenten verbindingen en concentraties te gebruiken die meer lijken op echt zeewater. Een van hun collega's gebruikt massaspectrometrie om opgeloste organische verbindingen in zeewater te karakteriseren, inclusief enkele CRAM's. Zodra meer kenmerken van deze verbindingen worden geïdentificeerd, Liu kan vergelijkbare methoden gebruiken om organische componenten uit de omgeving te extraheren en een soortgelijk experiment uit te voeren.

"Microben zijn de organismen die deze grote biogeochemische cycli aandrijven, "zei Carlson. "Er zijn er zo veel, ze groeien zo snel, en ze draaien zo snel om. Ze kunnen de chemische distributie van hele ecosystemen transformeren. Het bestuderen van wat de groei van de kleinste organismen in de oceaan regelt, heeft grote gevolgen voor de manier waarop chemische cycli in de oceaan worden bestuurd."