Скрытые переработчики углерода Земли: Серные бактерии объединяются для разложения органических веществ на морском дне

Сульфатредуцирующие бактерии разлагают значительную долю органического углерода в бескислородных зонах Земли, особенно на морском дне. Среди этих важных микробов выделяется семейство бактерий Desulfobacteraceae, члены которого способны разлагать широкий спектр соединений — включая плохо разлагаемые — до конечного продукта, диоксида углерода (CO₂). Исследовательская группа под руководством доктора Ларса Вёльбранда и профессора доктора Ральфа Рабуса из Ольденбургского университета (Германия) детально изучила роль этих микробов и опубликовала результаты комплексного исследования в журнале Science Advances.

Исследователи сообщают, что эти бактерии распространены по всему земному шару и обладают сложным метаболизмом модульного типа. Все изученные штаммы имеют одинаковую центральную метаболическую архитектуру для получения энергии. Однако некоторые штаммы обладают дополнительными, специфичными для штамма молекулярными модулями, которые позволяют им утилизировать разнообразные органические вещества. Ученые связывают экологический успех этой группы бактерий именно с этой универсальной модульной системой. Их исследование также предоставляет новые аналитические инструменты для углубления понимания роли сульфатредуцирующих микробов в глобальном углеродном цикле и их значения для климата.

«Эти сульфатредукторы живут на термодинамическом пределе», — объясняет Рабус, руководитель рабочей группы по общей и молекулярной микробиологии Института химии и биологии морской среды (ICBM) Ольденбургского университета. Эти бактерии используют для дыхания сульфат, а не кислород, и извлекают лишь часть энергии, которую аэробные бактерии могут получить при разложении органических веществ. Тем не менее, они чрезвычайно активны и играют ключевую роль в разложении органического вещества на морском дне. По оценкам, в прибрежных водах и шельфовых зонах, где откладываются особенно большие объемы органики, на долю сульфатредуцирующих бактерий приходится более половины разложения в донных отложениях. Часто доминирующими членами бактериального сообщества являются представители семейства Desulfobacteraceae.

Для более детального обзора команда проанализировала глобальное распространение этих бактерий. Анализ литературы показал, что они распространены по всему миру и встречаются во всех морских районах от Арктики до Антарктики, особенно в бедных кислородом или бескислородных средах. Затем исследователи культивировали шесть различных штаммов Desulfobacteraceae. Чтобы расшифровать их метаболизм, микробам предоставили 35 различных субстратов — от простых продуктов ферментации до длинноцепочечных жирных кислот и плохо разлагаемых ароматических соединений. Анализ показал, что разные штаммы используют очень похожие молекулярные стратегии для расщепления веществ, и все шесть штаммов также используют один и тот же высокоэнергоэффективный путь для центрального метаболизма.

Исследователи пришли к выводу, что Desulfobacteraceae работают вместе как команда и, следовательно, способны разлагать большой набор различных субстратов в различных геохимических условиях и в широком географическом диапазоне. «Нет единственного доминирующего вида-ключика», — подчеркивает Рабус. Вместо этого бактерии функционируют как совместное сообщество, подобно футбольной команде. Эта универсальность может объяснять, почему Desulfobacteraceae являются одними из самых распространенных сульфатредукторов в мире.

Вместе с профессором доктором Михаэлем Шлотером из Технического университета Мюнхена исследователи также изучили, можно ли обнаружить генетические «чертежи» определенных ключевых модулей метаболической сети в образцах донных отложений. Выбранные гены были обнаружены почти во всех проанализированных образцах из морских районов — от мелководий до глубокого моря, включая богатые питательными веществами эстуарии, горячие и холодные глубоководные источники и отложения бедного кислородом Черного моря.

Команда делает вывод, что их анализ, во-первых, подчеркивает ключевую роль Desulfobacteriaceae в глобальном разложении углерода, а во-вторых, демонстрирует, что исследованные гены могут использоваться в качестве аналитических инструментов для изучения микробной активности непосредственно в морском дне. «Значение сульфатредукторов в углеродном цикле, вероятно, до сих пор недооценивалось», — отмечает профессор доктор Михаэль Винкльхофер из Института биологии и наук об окружающей среде Ольденбургского университета. Он добавляет, что роль этих анаэробных микробов в процессах деградации углерода в прибрежных районах может возрасти в будущем, поскольку содержание кислорода в океанах снижается с 1960-х годов из-за переудобрения и глобального потепления.