Het wijdverbreide succes van mariene thaumarchaea komt grotendeels voort uit hun vermogen om sporenconcentraties van ammoniak om te zetten in nitriet, waardoor ze energie krijgen om koolstof vast te leggen en nieuwe biomassa te produceren bij afwezigheid van licht. Dit proces, nitrificatie genoemd, recyclet de chemische energie die oorspronkelijk afkomstig was van fotosynthese door zeealgen en is een essentieel onderdeel van de wereldwijde nutriëntenkringloop. Met behulp van een radiotracer-benadering, een team van onderzoekers van het Biology Centre Czech Academy of Sciences (Budweis, Tsjechië), MARUM—Centrum voor Mariene Milieuwetenschappen aan de Universiteit van Bremen (Duitsland), en Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie (Bremen, Duitsland) heeft nu vastgesteld dat archaea ongeveer 3 mol koolstof vastlegt voor elke 10 mol geoxideerde ammoniak, en deze efficiëntie varieert met cellulaire aanpassingen aan fosforbeperking.

"Thaumarchaea zijn overal in de oceaan actief, en hun enorme aantal impliceert een significante bijdrage aan de wereldwijde cycli van koolstof (C) en stikstof (N), " zegt Travis Meador, wie is de hoofdauteur van de studie. "Hoeveel koolstof wordt vastgelegd door nitrifiers, wordt gereguleerd door de hoeveelheid organische stikstof (energie) die wordt gecreëerd tijdens fotosynthese, de fysiologische koppeling van nitrificatie en koolstofassimilatie, en blijkbaar ook hun vermogen om toegang te krijgen tot fosfor (P)."

Het team schat dat deze chemoautotrofen ongeveer 5% van de koolstof en fosfor die door zeealgen worden opgenomen recyclen en terragrammen vrijgeven (10 ¹² g) jaarlijks opgeloste organische stoffen naar het binnenland van de oceaan. Deze bevindingen zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Laat ze ammoniak eten

Ammoniak in de oceaan is afkomstig van de afbraak van organisch materiaal geproduceerd door fototrofen in oppervlaktewateren en is een waardevolle bron van energie en voeding voor eukarya, bacteriën, en archaea gelijk. Cultuurstudies van de thaumarchaeon Nitrosopumilus maritimus hebben eerder aangetoond dat de kleine cellen (Ø =0,17-0,22 m) enzymsystemen hebben met een hoge affiniteit voor ammoniak en de meest energie-efficiënte C-fixatieroute in aanwezigheid van zuurstof. "Deze aanpassingen maken van thaumarchaea de belangrijkste energierecycler van de oceanen, waardoor ze hun bacteriële tegenhangers kunnen overtreffen en een aparte niche kunnen creëren, vooral in de diepe oceaan waar de energie beperkt is, " Zei Meador. "Onze collega's hebben gesuggereerd dat de meeste organische N die onder de eufotische zone van de oceaan wordt geëxporteerd, uiteindelijk de nitrificatie door thaumarchaea voedt. Hoewel de wereldwijde exportstroom al tientallen jaren wordt onderzocht, er is geen empirisch bewijs om archaeale ammoniakoxidatie verder te koppelen aan globale snelheden van C-fixatie, tot nu."

De behoefte aan P

Naast hun belangrijke bijdragen aan chemische fluxen in de donkere oceaanchemicaliën, thaumarchaea zijn eigenlijk overvloediger in de eufotische zone, waar de meeste organische stof wordt ingeademd (naar CO ₂ en ammoniak). In feite, de hoogste ophopingen van ammoniak kunnen zich aan de voet van de eufotische zone bevinden, waar heterotrofe bacteriën zich voeden met de zinkende biomassa geproduceerd in de warme, gemengde laag oppervlak en daaronder, waar de watertemperatuur snel daalt met de diepte.

Deze zone, bekend als de thermocline, ervaart ook grote schommelingen in de concentratie en omzettijd van een andere belangrijke voedingsstof, fosfaat (P). De onderzoekers vroegen zich dus af of de toegang van thaumarchae tot fosfaat hun bijdragen aan de gerecyclede productie in de oppervlakte-oceaan zou kunnen beheersen.

Archaea ondervragen met radioactiviteit

Door de introductie van radioactief gelabelde ¹⁴ C en ³³ P naar het kweekmedium, de auteurs konden de snelheden volgen van C en P geassimileerd in N. maritimus-cellen en vrijgegeven als opgeloste organische koolstof en fosfor (DOC en DOP) metabolieten in kweekmedia. Normalisatie van deze snelheden tot nitrificatie, de onderzoekers maakten de eerste schattingen van C, P, DOC, en DOP-opbrengsten voor een marien archeon.

Het resultaat van dit werk is dat de globale snelheden van C-fixatie door wijdverspreide thaumarchaea waarschijnlijk minstens drie keer hoger zijn dan eerder werd aangenomen. Ook, C en P-assimilatie door mariene archaea kan nu worden gemodelleerd als recht evenredig met de beroemde remineralisatieverhouding die in het midden van de 20e eeuw door Alfred Redfield is vastgesteld. De onderzoekers ontdekten verder dat N. maritimus goed is in het verwerven van fosfaat, maar strategische verhogingen van de cellulaire fosfaataffiniteit gingen ten koste van ongeveer 30% vermindering van de C-fixatie-efficiëntie. Deze resultaten kunnen daarom de wijdverspreide waarden van de specifieke nitrificatiesnelheid verklaren die over de oppervlakte-oceaan worden waargenomen. Eindelijk, Meador zegt, "De afgifte van chemosynthetisch vervaardigde verbindingen door thaumarchaea is gering in vergelijking met het substantiële reservoir van opgeloste organische voedingsstoffen in de oceaan, maar het vertegenwoordigt wel een nieuwe stroom van labiele substraten door het hele oceaaninterieur."