BIOLOGICKÉ CENTRUM AV ČR, v. v. i. | Mořští mikrobi fungují jako účinní recyklátoři odpadu

Velký úspěch mořských thaumarchaeí pramení z jejich schopnosti přeměnit stopové množství amoniaku na dusitany, čímž získávají dostatek energie k ukládání uhlíku a k tvorbě biomasy i bez přístupu slunečního záření. Tento proces, nazývaný nitrifikace, využívá chemickou energii, která původně vznikla při fotosyntéze mořských řas a je jednou z hlavních částí globálního koloběhu živin.

Výzkumný tým zjistil, že tito mikrobi jsou schopni oxidací 10 molů (tj. jednotka látkového množství) amoniaku uložit přibližně 3 moly uhlíku. “Thaumarchaea nalezneme v celém oceánu. Při jejich obrovských počtech tak významně přispívají k celosvětovému koloběhu uhlíku a dusíku,“ říká Travis Meador, hlavní vedoucí výzkumu a nositel grantu DFG Einge Stelle. To, v jakém množství je uhlík (C) ukládán při nitrifikaci (neboli oxidaci amoniaku), je závislé na množství organického dusíku (N), který se vytváří během fotosyntézy, fyziologickým propojením nitrifikace a asimilace uhlíku (C), a také jejich schopností získat fosfor (P).

Jen ať jedí amoniak

Amoniak v mořském prostředí vzniká rozkladem organické hmoty, kterou produkují zelené organismy, např. rostliny, řasy či sinice, v povrchové vrstvě oceánů, a je tak důležitým zdrojem energie a výživy pro další organismy, jako jsou bakterie, eukaryota a archea. Již při dřívějším výzkumu mořského oganismu Nitrosopumilus maritimus (thaumarcheon) vědci zjistili, že se tyto drobné buňky (o průměru 0.17-0.22 µm) mohou pochlubit systémy enzymů, které jim umožňují hojně přijímat amoniak a nejúčinněji ukládat uhlík za přítomnosti kyslíku. “Díky této adaptaci jsou thaumarchaea největším recyklátorem energie v oceánech, v čemž mohou dokonce překonat bakterie, a to především v hlubokém oceánu, kde chybí zdroje energie,” říká Travis Meador. ”Naši kolegové předpokládají, že většina organického dusíku v oceánech, který klesne do hloubek pod 200 metrů, se stává zdrojem energie právě pro tyto thaumarchaea. Zatímco globální respirace dusíku a dalších plynů z oceánů se zkoumá už několik desetiletí, stále neexistovaly důkazy o propojení oxidace amoniaku s globální fixací uhlíku. Tedy až dosud.“

Potřeba fosforu

Kromě své důležité role v chemické přeměně látek v hlubokém oceánu se thaumarchaea hojně vyskytují i v eufotické zóně (do 200 metrů hloubky), kde se většina organické hmoty rozloží na oxid uhličitý CO2 nebo amoniak. Ve skutečnosti by se měla nejvyšší koncentrace amoniaku vyskytovat právě na rozhraní eufotické zóny, kde se bakterie živí potápějící se biomasou, vytvořenou v teplé horní vrstvě, pod níž s klesající hloubkou rychle klesá i teplota vody. Právě v této přechodové vrstvě mezi dvěma vrstvami s rozdílnými teplotami vody, tzv. termoklině, je známá vysoká proměnlivost koncentrací a času rozkladu další důležitého nutričního prvku - fosforu (P). Vědci se tak zaměřili i na to, zda dostupnost fosforu pro thaumarchaea může přispět k lepší recyklaci v povrchové vrstvě oceánu.

Schéma role organismu N. maritimus v oceánských biogeochemických cyklech uhlíku (červená), dusíku (zelená) a fosforu (žlutá). N. maritimus je početným zástupcem v mikrobiální biomase oceánu a je známo, že se účastní klíčových toků globálních cyklů uhlíku a dusíku (bílé šipky). Žluté šipky představují neznámé toky fosforu, které byly cílem studie.

Ukládají třikrát více uhlíku, než se předpokládalo

Studie přinesla zásadní zjištění o tom, že úroveň celosvětové fixace uhlíku pomocí těchto mikrobů (thaumarchaeí) je přinejmenším třikrát vyšší, než se dosud předpokládalo. Navíc je nyní možné asimilaci uhlíku a fosforu u mořských archeí modelovat jako přímo úměrnou ke známému remineralizačnínu poměru stanovenému Alfredem Redfieldem v polovině 20. století. Výzkumníci dále zjistili, že mořský mikrob Nitrosopumilus maritimus velmi dobře váže fosfáty ze svého okolí. To je ovšem vykoupeno sníženou schopností vázání uhlíku přibližně o 30 %. Tyto výsledky tak mohou vysvětlovat veliký rozptyl hodnot specifických chemických procesů pozorovaných na povrchu oceánu. Jak shrnuje Travis Meador: "Ve srovnání s hlavním zásobníkem rozpuštěných organických živin v oceánu je příspěvek thaumarchaeí k přeměně chemických látek menší, ale představuje zcela nový tok nestabilních sloučenin v oceánu.”