Планетарный цикл азота пересмотрен из-за «крошечного поедателя аммиака морей»
Исследователи из Вашингтонского университета несколько лет назад вырастили микроорганизм из осадка аквариума в Сиэтле и обнаружили, что он может переваривать аммиак. Новые результаты показывают, что этот микроорганизм и его собратья играют более центральную роль в экологии планеты, чем предполагалось ранее.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, что эти микроорганизмы, принадлежащие к древней линии архей, опережают всю остальную морскую жизнь в гонке за аммиак. Ранее экологи предполагали, что аммиак в верхних слоях океана сначала поглощается фитопланктоном, оставляя очень мало аммиака для превращения микробами в нитрат.
«Наши данные предполагают, что всё наоборот, — сказал соавтор Вильм Мартенс-Хаббена. — Археи способны "отбирать" аммиак у других организмов и превращать его в нитрат. Затем этот нитрат снова поглощает фитопланктон».
Новая работа также показывает, что археи могут улавливать содержащий азот аммиак в самых бесплодных средах глубокого моря, решая давнюю загадку о том, как микроорганизмы выживают в таких условиях. Таким образом, археи играют центральную роль в планетарных циклах азота, от которых зависит вся жизнь.
«Бактериальные нитрификаторы были открыты в конце XIX века. Спустя столетие открыта другая группа нитрификаторов, которая оказывается не второстепенной, а основной популяцией», — сказал соавтор Дэвид Шталь.
Археи занимают собственную ветвь на древе жизни. В начале 1990-х годов учёные, собиравшие морскую воду, обнаружили генетический материал, свидетельствующий, что не менее 20% океанских микробов — это археи. Группа Шталя в 2005 году первой выделила этот организм (из тропического аквариума в Сиэтле) и показала, что он действительно может расти, окисляя аммиак.
Новые эксперименты показывают, что организм может выжить на ничтожной концентрации аммиака — 10 наномоль, что эквивалентно чайной ложке аммиачной соли в 10 миллионах галлонов воды. В глубоком океане это единственный источник энергии.
Это открытие имеет два важных следствия для океанских экосистем:
- Теперь ясно, что именно археи — те загадочные организмы, которые превращают аммиак в нитрат в глубинах океана.
- В верхних, освещённых солнцем водах океана археи могут конкурировать с фитопланктоном за аммиак. То же может быть верно и для почвенных сред.
Археи в данном случае чрезвычайно малы — 0,2 микрона в диаметре. Штамм, использованный в экспериментах, назван Nitrosopumilus maritimus («крошечный окислитель аммиака моря»).
Лучшее понимание роли архей в циклах азота может иметь практическое применение: разработка естественных способов повышения содержания азота в почве, проектирование более эффективных очистных сооружений, понимание того, какие микробы производят парниковые газы, такие как закись азота (N2O).
Новые данные также повлияют на уравнения в глобальных климатических моделях. Они предполагают, что большая часть нитрата в поверхностных водах происходит из рециклинга биомассы, а не из глубинных вод, как считалось ранее.
«Наши данные предполагают, что "углеродный насос" слабее, чем считается, поэтому современные климатические модели могут переоценивать способность океанов поглощать углерод», — сказал Мартенс-Хаббена.