Ученые обнаружили "узкое место" в самоочищающей способности глубоких озер

Микроорганизмы помогают поддерживать чистоту озерной воды. В процессе своей жизнедеятельности они также детоксицируют соединение азота — аммоний, который попадает в водоемы, например, с удобрениями, а также образуется естественным путем в результате метаболических процессов.

Международная команда под руководством Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур (DSMZ) с участием исследователей из IGB Ханса-Петера Гроссарта и Дэнни Йонеску показала, что эта детоксикация аммония в глубинах европейских озер поддерживается лишь крайне малым числом специфических видов архей.

Аммоний — это соединение азота, токсичное для водных организмов в высоких концентрациях и загрязняющее источники питьевой воды. Он образуется при разложении органического вещества в толще воды, а также попадает в озера и реки с сельскохозяйственными удобрениями. К счастью, в водоемах существует самоочищающая способность в виде бесчисленных микроорганизмов, разлагающих аммоний.

В глубоких слоях бедных питательными веществами озер с большой водной массой (таких как Боденское озеро и многие другие предгорные озера) эту функцию выполняют археи. Они преобразуют аммоний в нитрат, который затем используется для производства молекулярного азота N₂ — основного компонента воздуха.

Всего около 1–15 различных видов аммоний-разлагающих архей в глубоких озерах по всему миру

Исследователи изучили биоразнообразие и эволюционную историю окисляющих аммоний архей в глубоких озерах на пяти континентах. Они смогли показать, что видовое разнообразие этих архей в озерах мира в среднем составляет всего около 1–15 видов. В европейских озерах доминирующий вид является высококлональным и имеет небольшую геномную микрогетерогенность.

"Эта видовая бедность делает самоочищающую способность глубоких озер потенциально уязвимой к изменениям окружающей среды и контрастирует с морскими экосистемами, где преобладает гораздо более высокое видовое разнообразие этой группы микроорганизмов", — объясняет Ханс-Петер Гроссарт, соавтор исследования, опубликованного в журнале Science Advances.

Давление отбора при смене среды обитания с морской на пресноводную

Команда также нашла объяснение этой видовой скудности: колонизация пресных вод всегда происходила из морских местообитаний. Однако из-за гораздо более низких концентраций соли в пресной воде археи должны были претерпеть серьезные изменения в структуре клетки, что им удалось сделать лишь несколько раз в ходе эволюции. "Это давление отбора, вероятно, помешало более широкому разнообразию окисляющих аммоний архей колонизировать пресные воды", — говорит Дэнни Йонеску, еще один соавтор исследования.

Исследователей удивило открытие, что преобладающий пресноводный вид в Европе почти не изменился за 13 миллионов лет с момента своего появления и распространился квази-клонально из Европы в Азию. Авторы предполагают, что низкое содержание питательных веществ в сочетании с низкой температурой 4 градуса Цельсия ниже термоклина и некоторые другие лимитирующие факторы изученных озер препятствуют высоким темпам роста и связанным с ними эволюционным изменениям.

Таким образом, эти археи находятся в состоянии низкого генетического разнообразия. Поскольку последствия изменения климата более выражены в пресноводных, чем в морских местообитаниях, что связано с потерей биоразнообразия, остается неясным, как крайне бедные видами и эволюционно статичные пресноводные археи отреагируют на изменения, вызванные глобальным потеплением и переудобрением сельскохозяйственных земель.