Исследование раскрывает динамику микробов и нитратов

Человеческое вмешательство в глобальный углеродный баланс привлекает огромное внимание из-за его влияния на глобальное потепление, однако мы меньше уделяем его другому, аналогично нарушаемому нами набору химических процессов: антропогенному воздействию на цикл азота. К сожалению, преобразования азота в биосфере также менее изучены.

В современную эпоху человечество разработало технологию превращения атмосферного азота в биодоступную форму для использования в качестве удобрений. Это привело к систематическому массовому поступлению биодоступного («связанного») азота в окружающую среду через сельское хозяйство и аквакультуру. Стоки с таких территорий вызывают эвтрофикацию водоёмов и «мёртвые зоны» в океанах, а также оказывают долгосрочное влияние на атмосферу.

Известно, что микробы перерабатывают биологически доступный нитрат (NO₃^-) одним из двух критически важных путей: денитрификацией (возврат в биологически инертный газообразный азот N₂) или аммонификацией (превращение в аммоний NH₄⁺ с сохранением биодоступности азота). Однако факторы, определяющие, какой процесс будет доминировать в микробном сообществе, оставались плохо изучены из-за сложности таких экосистем.

Теперь, проведя 15 долгосрочных экспериментов с микробным сообществом, отобранным из фильтрующих нитраты осадков песчаной литорали, исследователи смогли определить ключевые факторы, управляющие судьбой нитрата. Динамика структуры и активности сообщества тщательно контролировалась с помощью набора сложных биоинформатических методов, включая метагеномику, транскриптомику и протеомику.

«Наше исследование отличается тем, что мы начали с действительно биоразнообразного образца... и позволили естественному отбору сделать свою работу», — отметил Марк Штруус, профессор геонаук Университета Калгари и руководитель исследования. Исследование будет опубликовано 8 августа в журнале Science.

Учёные установили, что три конкретных начальных фактора однозначно определяют денитрификацию или аммонификацию нитрата, независимо от других условий: соотношение нитрита к нитрату, соотношение углерода к азоту и — ранее неизвестный фактор — время удвоения микробного сообщества («время генерации»). В зависимости от условий доминировали разные специфические группы бактерий, выполняющие эти процессы.

«Факторы, которые мы обнаружили, являются очень общими... Результаты подразумевают, что их можно применить к любой экосистеме», — подчеркнул Штруус. Например, когда нитрит более обилен, доминируют более быстрые и эффективные денитрифицирующие бактерии. А условия, способствующие быстрому росту (время генерации менее 1,7 дня), также благоприятствуют денитрификаторам.

Понимание этой динамики имеет важные последствия. Исход этой микробной конкуренции критически важен для определения первичной продуктивности экосистем, поскольку аммоний от аммонификации напрямую повторно используется первичными продуцентами, а при денитрификации азот в основном теряется. «В любом моделировании того, как антропогенное воздействие вызывает глобальные изменения, это очень важная часть головоломки», — заключил Штруус.