Разложение водорослей после цветения определяет смену бактериальных популяций

Весеннее цветение водорослей в прибрежных зонах умеренных широт — естественный процесс, связанный с увеличением солнечной радиации. После окончания цветения отмершая биомасса водорослей становится важным источником питательных веществ для всей экосистемы.

Исследователи из Института микробиологии моря Общества Макса Планка в Бремене совместно с коллегами из Университета Грайфсвальда, Университета Джейкобса и Института полярных и морских исследований Альфреда Вегенера изучили цветение водорослей в Северном море и определили микроорганизмы, участвующие в разложении их остатков. Эта работа предлагает решение так называемого планктонного парадокса: специализируясь на разных процессах деградации, бактерии занимают отдельные экологические ниши.

Методы исследования

Учёные в течение почти года регулярно отфильтровывали сотни литров морской воды на долговременной станции «Кабельтонна» Биологической станции Гельголанд. Для анализа использовали новую комбинацию методов:

• CARD-FISH — для идентификации микроорганизмов непосредственно в образцах окружающей среды.
• Пиросеквенирование маркерного гена 16S рРНК — для изучения бактериального сообщества.
• Метагеномный и метапротеомный анализ — для обнаружения активных ключевых ферментов в сложных природных образцах.
• Биоинформатическая интеграция данных — для компьютерного управления всей информацией.

Результаты и выводы

Исследование показало, что специализированные бактериальные популяции сопровождают разные фазы цветения водорослей, а процессы внутри бактериального населения контролируют разложение.

Динамика ферментов и ниш:

1. Ранняя фаза: Преобладают ферменты для расщепления сложных углеводов водорослей, например, ламинарина.
2. Поздняя стадия: Доминируют транспортные белки для пептидов, фосфата и простых сахаров. Обнаружена высокая доля TonB-зависимых транспортеров, способных переносить крупные молекулы прямо внутрь клетки. Это может опровергать устоявшееся мнение, что длинноцепочечные молекулы должны быть расщеплены вне клетки перед усвоением.
3. Окончание цветения: Бактерии активно производят сульфатазы, которые отщепляют сульфатные эфиры от трудноразлагаемых углеводов водорослей, обеспечивая их полную деградацию.

Разрешение планктонного парадокса:

Как пояснил директор института Рудольф Аманн, сосуществованию множества видов планктона в seemingly однородной среде способствует гетерогенность микрониш. Специализированные популяции не конкурируют напрямую, а дополняют друг друга в разложении органического вещества. Бактериальное сообщество в зоне цветения водорослей отличается по составу и функции от сообщества в прозрачных открытых водах.