Marina bakterier som lever i havets mörka djup spelar en nyupptäckt och betydande roll i den globala kolcykeln, enligt en ny studie publicerad i Vetenskap .

Det "mörka havet" - allt som ligger under 200 meter - utgör 90 procent av havet. Mycket lite är känt om det mikroskopiska livet i detta rike och dess avgörande roll för att omvandla koldioxid till cellmaterial, proteiner, kolhydrater och lipider. Detta nyproducerade organiska material kan sedan konsumeras av andra marina organismer vilket ökar havets produktivitet.

Mest mörkt havskol fångas i den mesopelagiska zonen, som ligger mellan 200 och 1000 meter under havsytan. Identiteten på mikroorganismerna som utför denna process och de inblandade energikällorna har förblivit ett stort mysterium. Genom att analysera genomen som finns i havsvattenprover från denna zon, forskare från Bigelow Laboratory for Ocean Sciences har nu identifierat några av de viktigaste bidragsgivarna - nitritoxiderande bakterier.

"Vi visste att dessa bakterier fanns där och var involverade i den globala kolcykeln, men deras roll är så mycket större än vad forskare tidigare trodde, sa Maria Pachiadaki, postdoktor vid Bigelow Laboratory.

Dessa bakterier får sin energi från oxidation av kväveföreningar. De står för mindre än 5 procent av de mikrobiella cellerna i det mörka havet, vilket tidigare fått forskare att kraftigt underskatta sitt bidrag. Denna studie visar att trots deras relativt låga förekomst, nitritoxiderande bakterier fångar upp mer än 1,1 gigaton koldioxid i den mesopelagiska zonen årligen. Detta är jämförbart med tidigare uppskattningar av det totala kol som fångats i hela det mörka havet.

Teamet analyserade sammansättningen av mikrobiella mesopelagiska samhällen baserat på genetisk information i havsvattenprover från 40 platser runt om i världen. De använde sedan encellsgenomikverktyg för att helt sekvensera enskilda celler och undersöka deras biologi baserat på deras genetiska ritningar.

"Innan genomiktekniker, det mörka havet var en svart låda, eftersom mikroorganismer från denna miljö vägrar växa i forskningslaboratorier, sa Ramunas Stepanauskas, en senior forskare vid Bigelow Laboratory och chef för Single Cell Genomics Center. "Nu, med hjälp av moderna verktyg som utvecklats av vår grupp, vi kan öppna den här svarta lådan och förstå vem som bor där, vad de gör, och hur de gör det."

Forskningen bakom detta Vetenskap uppsatsen började med ett försök att identifiera nya grupper av mikroskopiska organismer i den mesopelagiska zonen. Enligt Pachiadaki, den tidigare accepterade förklaringen till kolavskiljning i det mörka havet verkade inte korrekt vid noggrann inspektion. Archaea, en mycket rikligare grupp av mikroorganismer i det mörka havet, hade krediterats för att ha gjort det mesta av arbetet, men matematiken stämde helt enkelt inte. Teamet gav sig i kast med att upptäcka de oidentifierade organismerna som var de sanna förkämparna för att fånga koldioxid i det stora mörka havet.

Teamet analyserade nästan 3, 500 genom av bakterier och arkéer. När de inte hittade några andra organismer som hade de metaboliska vägarna för att fånga upp kol och som förekom i tillräckligt stort överflöd, de började titta närmare på de nitritoxiderande bakterierna.

Cirka 100 av de analyserade genomen identifierades som nitritoxiderande bakterier, och teamet valde ut och sekvenserade helt den genetiska informationen från 30 representativa organismer.

"Om vi ​​inte hade genomiska data, vi skulle förmodligen aldrig ha tänkt på att undersöka dessa bakteriers inverkan på kolets kretslopp, sa Pachiadaki.

Under hela projektets gång, toppmoderna genomiktekniker fortsatte att utvecklas snabbt, och Bigelow Laboratorys Single Cell Genomics Center lade till avancerad teknologi som gjorde det möjligt för forskarna att uppskatta celldiametrar. Plötsligt, forskarna kunde se att de nitritoxiderande bakterierna var mycket större än de rikliga arkéerna som tidigare trotts stå för huvuddelen av kolavskiljningen i det mörka havet.

"De kanske bara utgör 5 procent av befolkningen, men cellerna i de nitritoxiderande bakterierna är 50 gånger större, sa Pachiadaki.

För att verifiera deras hypotes, teamet utformade en serie experiment med medarbetare från universitetet i Wien. Professor Gerhard Herndls forskargrupp tog havsvattenprover från den mesopelagiska zonen på flera platser i Nordatlanten och tillsatte koldioxid som hade märkts med en radioaktiv etikett. Detta gjorde det möjligt för dem att bestämma mängden som absorberades av varje grupp av mikroorganismer, vilket bekräftade den dominerande rollen av nitritoxiderande bakterier i kolavskiljning.

"Dessa resultat kastar nytt ljus över kopplingen mellan kväve- och kolkretslopp i havets inre, ", sa Herndl. "Vi demonstrerade experimentellt den viktiga roll som nitritoxidationsmedel spelar för att fånga upp koldioxid i det mörka havet och belyser en grupp av mikrober som ännu inte har fått tillräcklig uppmärksamhet för deras inverkan i havets kolcykel."