Havsdjur måste gå på toaletten, för, och i akvarier, som skapar uppgiften att rena vattnet från avfall som ammoniak, nitriter och nitrater. Bra bakterier bryter ner kväveföreningar vid Georgia Aquarium, och i en ny studie, några bakteriesamhällen där efterliknade de som finns naturligt i haven förvånansvärt bra.

"Det var fenomenalt. Jag förväntade mig inte det här, sa Frank Stewart, huvudutredare för studien ledd av Georgia Institute of Technology. "De mikrobiella samhällena är utsatta från mikrober som kommer från djuren och deras mat i ett akvarium som inte tappar in i havet. Men dessa såg ut som naturliga marina mikrobiella samhällen."

Det är glada nyheter för de tusentals havsfaunan, inklusive valhajar, mantor och en havssköldpadda som heter "Tank, "som bor i Georgia Aquariums Ocean Voyager, den största oceaniska utställningen inomhus i USA med nästan 24 miljoner liter (6,3 miljoner gallon) havsvatten. Forskarna analyserade två bakteriesamhällen i utställningen över tid och fann att vissa samhällen gör ett bättre städjobb än andra.

"Riktig game changer"

"Bakterieanalysen har varit en riktig spelväxlare för Georgia Aquarium, sa Eric Hall, som samarbetade i forskningen och är Senior Director för Life Support Systems and Water Quality för akvariet. "Vi har nu en mycket bättre förståelse för hur denna nyttiga bakteriella mikrogemenskap ser ut som lever i livsmiljöns vatten och i våra filter."

Forskarna skulle vilja att deras fortsatta arbete hjälper akvarieoperatörer överallt att optimera bakteriekolonier för maximal vattenrening. Georgia Tech och Georgia Aquarium, en icke vinstdrivande organisation för sjöliv, publicerade sin analys i tidskriften Tillämpad och miljömikrobiologi på fredag, 29 september, 2018.

Första författare var Andrew Burns, en postdoktor i Stewarts labb. Forskningen finansierades av Simons Foundation, National Science Foundation, och Teasley Endowment.

Fiskbajs är borta

För att hålla sig fräsch, Ocean Voyagers vatten kaskader genom en rad rengöringsprocesser. I tanken, som i haven, bakterier bryter ner utsöndring, ammoniak och annat avfall, sedan rinner akvarieutställningens vatten genom filter som tar bort fler saker, inklusive nitriter.

Vattnet rinner också genom speciella bakteriella reaktorer, och då är det fritt från det mesta utom nitrater, som kan bli giftigt om det får byggas upp till höga koncentrationer. I reaktorerna, kolonier av bakterier, fokus för denna studie, bryta ner nitrater.

Reaktorerna, eller "kuddar, "har nästan inget syre och erbjuder bakterier svavel som mat. Så, anaeroba bakterier samlas där för att "äta" svavlet och "andas upp" nitraterna för att bilda kvävgas, som kan bubbla upp till atmosfären. Jordens atmosfär består naturligtvis av cirka 78 procent kväve.

Brokig bakterieöverraskning

Bakteriesamhällena som forskarna mötte i de två kuddar de studerade krossade förväntningarna. För en, forskarna trodde att de kunde hitta båda bindorna dominerade av en ikonisk denitrifierande bakterie som heter Thiobacillus denitrificans, som kan användas för att handsåda professionella akvarier och akvarier i hemmet. De gjorde inte.

"Det dök verkligen upp i våra system, men generna för verktygen som Thiobacillus denitrificans bär för att utföra dessa processer var vitt spridda bland många olika typer av mikrober, sa Stewart, som är docent vid Georgia Techs School of Biological Sciences. "Mångfaldsnivåerna var bara enastående."

Också, sammansättningarna av bakteriesamhällen i de två kuddarna var praktiskt taget varandras motpoler.

"I ett av fälten hade vi en art som blev cirka 90 procent av samhället, " sa Burns. Det var en stam relaterad till en art som heter Thiobacillus thioparus. "Den andra dynan hade ett mycket mer varierat samhälle med många olika arter och till och med släkten." (Släktet är den taxonomiska kategorin ovanför arterna.)

"Till och med titta på några av de viktigaste bidragsgivarna, det fanns ett släkte av Sulfurimonas (bakterier) och även de hade massor av olika arter, cirka 150 arter eller stamvarianter istället för att säga, tio, vilket man kunde ha förväntat sig, Sa Stewart.

Bakteriell NFL-draft

Som idrottslag, de två bakteriesamhällena samlade olika spelare. Ett lag hade en stor stjärnspelare, och det andra laget spred de färdigheter som behövs för alla de kemiska stegen mer jämnt över truppen.

"Vi fann att i många av dessa system kommer en enda bakterie att bli den främsta bidragsgivaren och att den kommer att konkurrera ut alla andra och bli majoriteten av samhället och göra det mesta av ämnesomsättningen, " sa Burns. "I vår studie, den här kudden visade sig vara bättre på denitrifiering."

Men det kan fungera tvärtom, att särskilda blandade bakteriesamhällen kan fungera mer effektivt, Burns sa, och även i system där en spelare är stjärnan, variation kan ge styrka.

"Det kan ge det bakteriesystemet en backup, " sa Burns. "Om det bara förlitade sig på en stor spelare, om något hände med det, hela systemet kan krascha."

"Det som verkligen är intressant är hur många av en viss art som finns i vårt system och särskilt ta reda på vad de gör, "Sa Hall. "Dessa mikroskopiska varelser hänger inte bara runt utan gör faktiskt nyttiga saker för vårt vatten som vi inte förstod detta ordentligt tidigare."

Det är för tidigt att ge rekommendationer, men med tanke på de första observationerna, forskarna tror att den som försöker optimera bakterier för akvariet inte nödvändigtvis behöver kasta in en stor organism i ett system utifrån. Att locka ett fantastiskt bakteriesamhälle att istället montera själv kan maximera rengöringskraften.