Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Морской микроб, который вырабатывает свой собственный кислород
Один из самых распространенных организмов на Земле, на удивление, растет в глубоких водах сумеречной зоны океана. Он представляет собой группу микроскопических одноклеточных организмов архей, которые окисляют аммиак (АОА). Составляя 40% от всех микробных клеток, в одном литре глубоководной воды их сотни тысяч и даже миллионы. Около десяти октиллионов (1028) клеток АОА, находятся в океанах Земли.
В некоторых регионах мирового океана такие археи обитают там, где морская вода крайне не насыщена кислородом, например Черное море, восточная тропическая часть южного бассейна Тихого океана, Охотское море и Калифорнийский залив. Это наблюдение озадачило ученых, поскольку для роста архей требуется кислород. Новое исследование, опубликованное в журнале Science, может помочь объяснить как такие археи выживают в водах с низким содержанием кислорода.
Свое название эти археи имеют из-за их внутренних физиологических процессов. Они превращают неорганический углерод, растворенный в морской воде, в биомассу путем фиксации углерода. АОА получают энергию, преобразовывая аммиак в нитрит с помощью кислорода. Аммиак «окисляется» в этой реакции, теряя электроны, которые, в свою очередь, приобретает кислород. По словам руководительницы эксперимента Беате Крафт, морского микробиолога из Университета Южной Дании, «было интересно увидеть, что [археи, окисляющие аммиак] на самом деле часто встречаются в водах [с низким содержанием кислорода], но теоретически они не должны там выживать, так как им нужен кислород».
Команда Крафт измерила как чистые культуры вида Nitrosopumilus maritimus растут при низких концентрациях кислорода, обнаруженных в некоторых регионах океана. Как только микроорганизм израсходовал весь кислород, ученые увидели нечто удивительное. Уровень кислорода начал увеличиваться!
Крафт и ее коллеги считают, что организм вырабатывает собственный кислород, чтобы расти в не насыщенных кислородом водах. Доказательством этого является то, что организм вырабатывает нитрит (побочный продукт окисления аммиака) вместе с кислородом. Археи производят больше нитрита, чем было бы возможно при таком уровне кислорода. Значит, организм должен немедленно использовать часть образовавшегося кислорода для окисления аммиака. Контрольные эксперименты исключили абиотические реакции и загрязнение воздуха, как источники кислорода извне, и подтвердили потребление кислорода при окислении аммиака.
Ученые до сих пор не до конца понимают, как археи, окисляющие аммиак, производят кислород. Крафт и ее коллеги предположили, что организм вырабатывает кислород, превращая нитрит в оксид азота. Затем, из четырех молекул оксида азота АОА создает две молекулы оксида азота и одну молекулу кислорода (Изображение 2). Наконец, археи превращают закись азота в его газообразную форму (Изображение 2). Культуры АОА производят окись азота, закись азота и газообразный азот, что поддерживает данное предположение, а некоторые бактерии даже производят кислород из оксида азота для роста в бедных кислородом средах. Однако, у архей, окисляющих аммиак, определенно есть ферменты для превращения нитрита в окись азота. Крафт связывает протекание других реакций в предложенном ими пути с еще не идентифицированными ферментами.
В новом пути производства кислорода археи, окисляющие аммиак, производят одну молекулу кислорода из четырех молекул нитрита. Но, археи требуют шесть молекул кислорода, чтобы сделать четыре молекулы нитрита из аммиака. Таким образом, новый путь не может быть полноценным источником кислорода, если только не имеется избыточное количество нитрита сверх того, что археи производят из аммиака (Изображение 2).
В лабораторных культурах нитрит накапливался в результате предшествующего окисления аммиака при изначально высоком уровне кислорода. В океане такой избыток нитрита найти труднее. По словам Джеймса Холлибо, микробиолога-эколога и почетного профессора Университета Джорджии, «[выработка кислорода должна поддерживаться нитритом из какого-то другого источника, кроме самого процесса окисления аммиака, и в океане не так много мест, где можно найти такие условия».
В некоторых бедных кислородом водах происходит накопление нитритов, что океанологи называют «вторичным максимумом нитритов». Это область водной толщи, где концентрация нитритов возрастает до наивысших значений. По словам Крафта, «именно там процессы, потребляющие большинство нитритов,…наиболее активны, и нитрит одновременно используется множеством разных микробов». Хотя археи, окисляющие аммиак, являются основным источником нитритов, нитриты также могут накапливаться в результате других процессов.
Однако, конкуренция с другими микробами может ограничить производство кислорода (Изображение 3). В районах океана с низким содержанием кислорода нитрит накапливается в низких концентрациях, и многие другие микробы могут превзойти АОА в борьбе за любой избыток нитрита. Например, Холлибо считает, что денитрифицирующие бактерии (бактерии, которые могут «дышать» нитритом), вероятно, используют нитрит быстрее, чем археи.
Крафт признает, что взаимодействие с другими микробами усложняет возможности АОА производить кислород в окружающей среде. Юстина Хампель, микробиолог-эколог и биогеохимик из Стокгольмского университета, соглашается с этим мнением. «Результаты экспериментов с культурами впечатляют, но мы должны быть осторожны с предположениями о взаимодействиях чистых культур с их природной средой».
Следующим шагом в исследовании будет являться подтверждение того, что археи, окисляющие аммиак, действительно производят кислород, и используют нитрит в среде с низким содержанием кислорода. По словам Крафт, «это все еще только предположения. У нас [есть] еще несколько исследовательских проектов, [где] мы [можем] действительно взглянуть на роль архей и их значение в окружающей среде…Это новая головоломка, над которой нам нужно поработать».
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Изображение: создано автором статьи
micro-bites.org 