Microbiologie in hapklare porties
Een overvloedige zeemicrobe maakt zijn eigen zuurstof
In de diepte van de zee’s schemerzone groeit een van de meest voorkomende organismen op Aarde. Ze zijn een groep van microscopische, eencellige organismen die ammoniak-oxiderende archaea (of “AOA”) worden genoemd. Honderdduizenden tot miljoenen AOA cellen bevinden zich in 1 liter diepzee water, waar ze 40% van alle microbiële cellen uitmaken. Ongeveer tien octiljoen (1028) AOA cellen zitten in de oceanen van Aarde.
In sommige plekken van ‘s werelds oceanen zijn AOA zeer overvloedig op dieptes waar de zuurstofconcentratie laag is, zoals de Zwarte Zee, het oostelijk deel op het zuidelijk halfrond van de Stille Oceaan en de Golf van Californië. Deze waarneming verbaasde wetenschappers, omdat AOA zuurstof nodig hebben om te groeien. Een recent onderzoek gepubliceerd in Science zou ons kunnen helpen verklaren hoe AOA overleven in zuurstofarme wateren.
AOA zijn vernoemd naar hun manier van groeien. Ze zetten opgeloste anorganische koolstof in zeewater om in biomassa (“koolstoffixatie”). De energie voor de koolstoffixatie krijgen AOA uit het omzetten van ammoniak in nitraat met behulp van zuurstof. De ammoniak wordt geoxideerd in deze reactie omdat het de electronen verliest aan zuurstof. Beate Kraft (een mariene microbioloog aan de Universiteit van Zuid Denemarken die dit onderzoek leidde): “Er was dit raadsel over de [AOA] die eigenlijk vaak gevonden worden in [zuurstofarme] wateren, terwijl ze er theoretisch niet in kunnen overleven omdat ze zuurstof nodig hebben.”
Kraft’s team meette hoe reinculturen van een AOA soort, Nitrosopulimus maritimus (gevonden in sommige gebieden van de diepe oceaan), groeiden in lage zuurstofconcentraties. Wanneer de organismen al het zuurstof hadden verbruikt zagen Kraft en haar team iets verrassends. Het zuurstofgehalte van de cultuur begon toe te nemen.
Kraft en haar collega’s vermoeden dat N. maritimus zijn eigen zuurstof produceert om te blijven groeien en te overleven in het zuurstofarme water. Het bewijs hiervoor is dat de bacteriën nitriet (afvalproduct van de ammoniak oxidatie) in tandem produceerden met zuurstof. De microben produceerden meer nitriet dan mogelijk was met de zuurstofgehaltes in de reinculturen. Dus N. maritimus zou een deel van de geproduceerde zuurstof meteen gebruikt moeten hebben om ammoniak te oxideren. Controle experimenten sloten abiotische factoren en contaminatie van lucht als zuurstofbron uit en bevestigden dat zuurstof werd geconsumeerd tijdens de ammoniak oxidatie.
Wetenschappers begrijpen nog niet volledig hoe AOA zuurstof produceert. Kraft en haar collega’s dachten dat de bacteriën zuurstof produceren door eerst nitriet (NO3–) om te zetten in stikstofoxide (NO). Van 4 stikstofoxide moleculen maken ze 2 distikstofmonoxide (N2O, ook wel bekend als lachgas) moleculen en 1 zuurstof (O2) molecuul (Figuur 2). Als laatste zetten de bacteriën N2O om in stikstofgas (N2) (Figuur 2). Wat dit idee ondersteunde was dat Kraft’s reinculturen stikstofoxide, N2O en stikstofgas produceerden, én dat sommige bacteriën zuurstof van stikstofoxide maken om in zuurstofarme omgevingen te groeien. Echter hebben de AOA alleen enzymen die nitriet omzetten in stikstofoxide. Kraft bedacht dus andere reacties in hun voorgestelde pathway/stofwisseling? voor nog ongeïdentificeerde enzymen.
De scheikunde achter deze nieuwe zuurstofproducerende stofwisseling zou beperkingen kunnen opleggen aan de plaatsen waar deze stofwisselingsroute kan worden toegepast. In een nieuwe route maken AOA 1 molecuul zuurstof uit 4 nitriet moleculen. Maar AOA hebben 6 zuurstof moleculen nodig om 4 nitriet moleculen te maken uit ammoniak. Dus deze nieuwe pathway kan niet een netto zuurstofbron zijn, behalve als er een overvloed van nitriet beschikbaar is (Figuur 2).
In de labculturen ontstaat nitriet door de ammoniak oxidatie met een initieel hoog zuurstofgehalte. In de oceaan is een grote hoeveelheid nitriet maar moeilijk te vinden. James Hollibaugh (microbieel ecoloog en professor emeritus aan de Universiteit van Georgia): “[AOA zuurstofproductie] moet ondersteund worden door nitriet uit een andere bron dan ammoniak oxidatie, en er zijn weinig plekken in de oceaan waar je deze omstandigheden zal vinden.”
In sommige zuurstofarme wateren accumuleert nitriet in (wat oceanografen noemen) een “secundair nitriet maximum”. Dit is een gebied van een diepe waterkolom waar de nitrietconcentratie stijgt tot hoge concentraties. Kraft: “Dat is waar andere nitriet-consumerende processen… het meest actief zijn, en daar wordt nitriet gebruik door veel verschillende microben.” Hoewel AOA een grote bron van nitriet zijn in sommige locaties, kan nitriet ook door andere processen accumuleren. “Dit is extra nitriet dat [AOA] kunnen gebruiken.”, zei Kraft.
Concurrentie met andere microben kan ook limiteren waar AOA zuurstof kunnen produceren in de oceaan (Figuur 3). In de zuurstofarme regio’s van de oceaan accumuleert nitriet in lage concentraties, en andere microben kunnen AOA wegconcurreren voor elke overmaat nitriet. Hollibaugh denkt dat denitrificerende bacteriën (bacteriën die nitriet kunnen “ademen”) waarschijnlijk nitriet sneller gebruiken dan AOA, ook in hogere zuurstofconcentraties.
Kraft vreest dat interacties met andere organismen in de buurt het gebruik van de zuurstofproductie route voor AOA kan compliceren. Justyna Hampel (microbieel ecoloog en biogeochemicus aan de Universiteit van Stockholm) is hier ook bang voor: “De bevindingen van de labculturen zijn opwindend, maar we moeten voorzichtig zijn met [overplaatsen van reinculturen] naar de natuurlijke omgeving.”
De volgende stap van het onderzoek is het bevestigen dat AOA daadwerkelijk zuurstof produceren en nitriet gebruiken in natuurlijke, zuurstofarme milieus. Kraft: “Het is nog maar speculatie. We [hebben nu] een wat meer onderzoeksprojecten [waar] we daadwerkelijk [kunnen] kijken naar de rol en betekenis van de omgeving… een nieuwe puzzel om aan te werken.”
Link to the original post: Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeonBeate Kraft Nico Jehmlich Morten LarsenLaura A. Bristow Martin Könneke Bo Thamdrupand Donald E. Canfield Science • 6 Jan 2022 • Vol 375, Issue 6576
Featured image: Image by Derek Smith
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 