Havsvatten är mer än bara saltvatten. Havet är en veritabel soppa av kemikalier.

En del av den buljongen kommer från lösta kolföreningar, som står för ett betydande lager av globalt kol, i nivå med mängden i atmosfären. Forskare arbetar aktivt med att klassificera vilka former kol tar sig i världshaven, samt de biologiska processer som återvinner det i havets vatten.

Vissa molekyler, som proteiner och sockerarter, bryts lätt ner, medan andra är mer motståndskraftiga mot nedbrytning. En ny studie, ledd av UC Santa Barbara postdoktor Shuting Liu, undersökte några av dessa mer motsträviga föreningar och de mikrober som kan smälta dem. Resultaten, som finns i journalen Limnologi och oceanografi , belysa grundläggande aspekter av havets kolcykel och kan hjälpa forskare att förutsäga vilken roll mikrober spelar i dess reglering.

Liu och professor Craig Carlson, vid institutionen för ekologi, Evolution och marinbiologi, är en del av en grupp som bedriver forskning vid Bermuda Atlantic Time-series Study webbplats. Platsen är ett långsiktigt forskningsprojekt i Sargassohavet, själv en region i Atlanten i närheten av Bermuda. Under många år, forskarna märkte att löst organiskt material byggdes upp i ytvatten under de lugnare sommarmånaderna. Tuffare förhållanden på vintern blandade dessa föreningar i djupare vatten, ett skikt som forskare kallar den mesopelagiska zonen – eller, skymningszonen, eftersom spänner över de lägsta djup som ljus kan nå. När det väl hände, en del av det organiska materialet skulle brytas ned, och cykeln skulle börja igen. Teamet var ivrigt att förstå varför.

Att göra så, Liu och hennes kollegor fokuserade på karboxylrika alicykliska molekyler, eller CRAM, ett särskilt tufft och mångsidigt utbud av organiska föreningar med liknande kemiska egenskaper, av vilka några utgör de mer seglivade organiska molekylerna i havet.

En klass av föreningar som passar CRAM-beskrivningen är ligniner, gruppen av molekyler som ger trä dess styvhet. Faktiskt, Liu använde lignin som en av fyra modell CRAM-liknande föreningar i sitt experiment.

Lagets mål var enkelt. "Vi försöker se vilka typer av mikrober som svarar på dessa CRAM-liknande föreningar i mesopelagiken, sa Liu.

Forskarna introducerade sina fyra modell CRAM-föreningar i prover av havsvatten från mesopelagiken och observerade resultaten. Vid olika tidsintervall, de analyserade koncentrationerna av löst organiskt kol och räknade det totala antalet bakterieceller med hjälp av ett mikroskop. Gruppen använde också molekylära prober som riktade in sig på sex specifika mikroblinjer för att bestämma hur mycket varje linje växte i förhållande till total celltillväxt i provet. Detta berättade för dem vilken av dessa grupper som var mest aktiva.

Forskarna använde dessa föreningar i koncentrationer av storleksordningar större än vad mikroberna någonsin skulle se i naturen. "Vi tog en experimentell anrikningsmetod, " sa Carlson. "Om vi ​​ger dem det i förhöjda koncentrationer, kommer de att använda det? Och om de använder det, vem använder det?"

De fann att, trots föreningarnas gemensamma egenskaper, deras tillgänglighet för mikroberna skilde sig åt mellan de olika linjerna. "Några av föreningarna var mycket lättanvända, sa Carlson, "medan andra var mer motståndskraftiga mot nedbrytning, som lignin och humussyra."

Experimentet bekräftade också teamets hypotes att mikrober som är relativt vanligare i mesopelagiken, snarare än havets yta, kunde bryta ner och använda dessa tuffa föreningar. Detta fynd hade tidigare antytts från genomiska studier av deras medförfattare och medarbetare Stephen Giovannoni och Jimmy Saw vid Oregon State University.

Liu och Carlson, bland andra forskare, hypotesen att den mesopelagiska zonen är värd för en distinkt gemenskap av mikrober med förmågan att dra fördel av material som är orört av mikroberna som lever ovanför. Ytbakterier måste spendera mer energi på att binda näringsämnen som kväve och fosfor, som är knappa i övre havet. Däremot det fotosyntetiska planktonet som lever i den solbelysta ytan ger lättsmält kol. Som ett resultat, ytmikrober använder sannolikt de mest tillgängliga formerna av kol istället för att sjunka ner energi i mer resistenta organiska föreningar.

Under tiden, kväve och fosfor finns rikligt djupare i den mesopelagiska zonen, enligt forskarna. Som ett resultat, mikrober som lever där kan ha resurser och energi att investera i att bryta ner och absorbera mer motsträviga former av kol, som CRAMs.

Just nu, förhållandet mellan nedbrytningen av CRAM och närvaron av vissa mikrober i den mesopelagiska zonen är bara en korrelation, Liu förklarade. Hon hoppas kunna fastställa ett orsakssamband genom att spåra kolet från CRAM-föreningar när de bryts ned och se om det tas upp av mikroberna hon studerar.

Liu och Carlson planerar att använda föreningar och koncentrationer som mer liknar verkligt havsvatten i kommande experiment. En av deras kollegor använder masspektrometri för att karakterisera lösta organiska föreningar i havsvatten, inklusive några CRAMs. När fler egenskaper hos dessa föreningar har identifierats, Liu kan använda liknande metoder för att extrahera organiska komponenter från miljön och genomföra ett liknande experiment.

"Mikrober är organismerna som driver dessa stora biogeokemiska cykler, sade Carlson. Det finns så många av dem, de växer så fort, och de vänder så snabbt. De kan omvandla den kemiska fördelningen av hela ekosystem. Att studera vad som styr tillväxten av havets minsta organismer har stora konsekvenser för hur kemiska kretslopp styrs i havet."