Глобальное потепление, мертвая зона и удивительные бактерии

В обширных районах океана, где кислород исчез, недавно обнаруженные бактерии уменьшают содержание дополнительных жизненно важных молекул. Они способствуют тому, что виртуальные мертвые зоны становятся еще более "мертвыми".

Истощение азота бактериями — естественный процесс в зонах кислородного минимума (oxygen minimum zones, OMZs), регионах океана, где O₂ не обнаруживается. Однако по мере прогрессирования изменения климата OMZs расширяются, что побуждает исследователей изучать их биохимические процессы и возможные последствия для глобальной окружающей среды.

Теперь команда под руководством Технологического института Джорджии обнаружила представителей высокопродуктивной группы бактерий, известной как SAR11, в крупнейшей в мире зоне кислородного минимума. Исследователи получили неопровержимые доказательства того, что эти бактерии играют важную роль в денитрификации — процессе удаления азота.

Почему это важно?

Вновь обнаруженные бактерии влияют на глобальные запасы питательных веществ и циклы парниковых газов. Хотя таяние ледяных шапок привлекает заголовки, изменение климата воздействует на океаны и другими способами, например, через потепление и закисление вод. Потеря кислорода и азота в океане — часть этой более масштабной картины.

Азот является важнейшим питательным веществом, используемым всеми клетками для производства белков и ДНК. Его удаление затрудняет рост водорослей и других организмов. Поскольку водоросли поглощают углекислый газ (CO₂), их сокращение оставляет больше этого парникового газа в атмосфере.

Как бактерии удаляют азот?

Исследователи обнаружили, что в OMZs, где O₂ отсутствует, новые штаммы бактерий SAR11 (и некоторые другие бактерии) вместо этого "дышат" нитратом (NO₃). Они запускают химическую цепь, которая приводит к исчезновению азота из океана. Бактерии превращают нитрат в нитрит (NO₂), что в конечном итоге может привести к образованию газообразного азота (N₂) и закиси азота (N₂O). Оба этих газа могут покинуть океан.

Это делает воды, лишенные кислорода, еще менее пригодными для жизни, одновременно выбрасывая в атмосферу больше азота и закиси азота — ключевого парникового газа. Новооткрытые представители клады бактерий SAR11, по-видимому, являются крупнейшей группой бактерий в OMZs, что делает их значимым игроком в потере азота.

Как связаны OMZs и изменение климата?

Зоны кислородного минимума — природное явление, в основном формирующееся в тропиках. Проблема в том, что глобальное потепление заставляет их расширяться, поскольку делает морскую воду менее способной удерживать кислород. По мере расширения OMZs увеличивается и потенциал для денитрификации, что влияет на глобальный баланс азота, парниковых газов и питательных веществ.

В чем научная значимость открытия?

Это открытие опровергает обоснованные научные сомнения. Ученые считали, что у SAR11 не может быть штаммов, процветающих в суровых условиях OMZ, поскольку эта клада не славится высокой адаптивностью. Команда преодолела это, выделив геномы 15 новых штаммов бактерий, захваченных как целые клетки. Они обнаружили в них гены фермента нитратредуктазы, который позволяет бактериям "дышать" нитратом вместо кислорода.

Чтобы подтвердить функцию, исследователи вставили эти гены в бактерии E. coli, которые успешно произвели рабочий фермент. Эти тщательные анализы создали критически важный набор данных для будущих исследований.

Исследование опубликовано в журнале Nature 3 августа 2016 года. Работа финансировалась Национальным научным фондом (NSF), программой NASA Exobiology, Фондом Слоуна и Министерством энергетики США.