Den utbredda framgången för marint thaumarchaea beror till stor del på deras förmåga att omvandla spårkoncentrationer av ammoniak till nitrit, vilket ger dem energi att fixera kol och producera ny biomassa i frånvaro av ljus. Denna process, kallad nitrifikation, återvinner den kemiska energin som ursprungligen härstammar från fotosyntesen från marina alger och är en väsentlig komponent i den globala näringscykeln. Med hjälp av ett radiotracer -tillvägagångssätt, ett team av forskare från Biology Center Czech Academy of Sciences (Budweis, Tjeckien), MARUM — Center for Marine Environmental Sciences vid University of Bremen (Tyskland), och Max Planck Institute for Marine Microbiology (Bremen, Tyskland) har nu fastställt att archaea fixerar ungefär 3 mol kol för varje 10 mol ammoniak oxiderad, och denna effektivitet varierar med cellulära anpassningar till fosforbegränsning.

"Thaumarchaea är aktiva i hela havet, och deras stora antal innebär betydande bidrag till globala cykler av kol (C) och kväve (N), "säger Travis Meador, som är huvudförfattare till studien. "Hur mycket kol som fixeras av nitrifier regleras av mängden organiskt kväve (energi) som skapas under fotosyntesen, den fysiologiska kopplingen mellan nitrifikation och kolassimilering, och tydligen deras förmåga att få tillgång till fosfor (P). "

Teamet uppskattar att dessa kemoautotrofer återvinner cirka 5% av det kol och fosfor som assimileras av marina alger och släpper ut terragram (10 ¹² g) av upplösta organiska ämnen till havets inre varje år. Dessa fynd publiceras nu i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Låt dem äta ammoniak

Ammoniak i havet härrör från nedbrytning av organiskt material som produceras av fototrofer i ytvatten och är en värdefull energikälla och näring för eukarya, bakterie, och archaea lika. Kulturstudier av thaumarchaeon Nitrosopumilus maritimus har tidigare avslöjat att de små cellerna (Ø =0,17-0,22 μm) har enzymsystem med hög affinitet för ammoniak och den mest energieffektiva C-fixeringsvägen i närvaro av syre. "Dessa anpassningar gör thaumarchaea till havets främsta energiåtervinnare, låta dem utkonkurrera sina bakteriella motsvarigheter och skapa en separat nisch, särskilt i djuphavet där energin begränsar, "Meador sa." Våra kollegor har föreslagit att de flesta organiska N som exporteras under havets euphotiska zon så småningom ger näring åt nitrifikation av thaumarchaea. Medan det globala exportflödet har undersökts i flera decennier, det har inte funnits några empiriska bevis för att ytterligare koppla arkeisk ammoniakoxidation till globala C -fixeringshastigheter, tills nu."

Behovet av P

Förutom deras viktiga bidrag till kemiska flussmedel i den mörka havskemikalien, thaumarchaea är faktiskt rikligare i den eufotiska zonen, där majoriteten av organiskt material andas (till CO ₂ och ammoniak). Faktiskt, de högsta ackumuleringarna av ammoniak kan vara belägna vid basen av den eufotiska zonen, där heterotrofa bakterier livnär sig på den sjunkande biomassan som produceras i det varma, blandad yta och under, där vattentemperaturerna sjunker snabbt med djupet.

Denna zon, känd som termoklinen, upplever också stora fluktuationer i koncentration och omsättningstid för ett annat viktigt näringsämne, fosfat (P). Forskarna ifrågasatte alltså om thaumarchaeal tillgång till fosfat kan styra deras bidrag till återvunnen produktion i ytan.

Förhör med archaea med radioaktivitet

Genom att införa radiomärkt ¹⁴ C och ³³ P till odlingsmediet, författarna kunde spåra hastigheterna av C och P assimilerade i N. maritimus -celler och släppas ut som upplösta organiska kol- och fosformetaboliter (DOC och DOP) till odlingsmedier. Normalisering av dessa hastigheter till nitrifiering, forskarna genererade de första uppskattningarna av C, P, DOC, och DOP -avkastning för en marin arkeon.

Resultatet av detta arbete är att globala C-fixeringshastigheter genom brett distribuerad thaumarchaea sannolikt är minst tre gånger högre än tidigare antagits. Också, C- och P-assimilering av marina archaea kan nu modelleras som direkt proportionella mot det berömda remineraliseringsförhållandet som Alfred Redfield fastställde i mitten av 1900-talet. Forskarna fann vidare att N. maritimus är benägen att förvärva fosfat, men strategiska ökningar av cellulär fosfataffinitet kostade cirka 30% minskning av C -fixeringseffektivitet. Dessa resultat kan därför förklara de vidsträckta värdena för specifik nitrifikationshastighet som observerats över ytan. Till sist, Meador säger, "Frisättningen av kemosyntetiskt tillverkade föreningar av thaumarchaea är liten jämfört med den stora behållaren av upplösta organiska näringsämnen i havet, men det representerar ett nytt flöde av labila substrat genom hela havets inre. "