Der Flüssigkeitsfluss stimuliert die Chemosynthese in einem „griechischen Salat“ aus hydrothermalen Mikroben

Die meisten Besucher des Strandes von Paliochori auf der griechischen Insel Milos sind sich der hydrothermalen Gemeinschaft der Bucht im seichten Wasser, einem wahren griechischen Mikrobensalat, der in Schnorchelentfernung von der Küste liegt, möglicherweise nicht bewusst.

Der Hydrothermalismus in den Küstensedimenten der Paliochori-Bucht beeinflusst dort stark biogeochemische Prozesse und unterstützt die Chemosynthese, die es bestimmten Mikroorganismen wie schwefeloxidierenden Bakterien ermöglicht, anstelle von Licht chemische Energie zu verwenden, wie es photosynthetische Pflanzen oder Algen tun, um Kohlendioxid in Zellmaterial umzuwandeln .

Die Auswirkungen des Flüssigkeitsflusses auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und die Geschwindigkeiten der chemosynthetischen Produktion waren jedoch unbekannt, da es schwierig ist, mikrobielle Prozesse unter natürlichen Bedingungen zu messen, insbesondere in hydrothermalen Systemen.

Eine neue Studie verwendet einen innovativen Ansatz, um das Flachwasser-Hydrothermalsystem der Bucht und die Produktion von Mikroben dort in situ und unter nahezu natürlichen Bedingungen als Modell zu untersuchen, um die Bedeutung der hydrothermalen Flüssigkeitszirkulation für die Chemosynthese zu bewerten.

Durch die Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften direkt in den hydrothermal beeinflussten Sandsedimenten in der Bucht demonstriert die Studie „die Bedeutung des Flüssigkeitsflusses bei der Gestaltung der Zusammensetzung und Aktivität mikrobieller Gemeinschaften von hydrothermalen Quellen im Flachwasser und identifiziert sie als Hotspots mikrobieller Aktivität“. laut dem Artikel „Fluid flow stimuls chemoautotrophy in hydrothermally built coast sediments“, veröffentlicht in Kommunikation Erde & Umwelt.

Darüber hinaus „zeigt die Studie, wie produktiv die seichten Wasser-Hydrothermalquellen tatsächlich sind und wie schnell sich die Mikroben an veränderte Bedingungen anpassen“, sagt Co-Hauptautor Stefan Sievert, assoziierter Wissenschaftler in der Biologieabteilung der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

Während der Studie führten die Forscher zwei Reihen von Sondenexperimenten mit stabilen Isotopen unter Verwendung von mit dem stabilen Kohlenstoffisotop 13C markiertem Kohlendioxid als Tracer durch, um die Fähigkeit der Mikroben zur Kohlenstofffixierung, also der Umwandlung von Kohlendioxid in Biomasse, zu bestimmen. Die Studie setzte Inkubationsgeräte entlang eines Querschnitts an einer Öffnung in der Bucht ein und injizierte den Tracer in verschiedenen Tiefen in das Sediment, entweder im offenen oder geschlossenen Flüssigkeitsströmungsmodus, und ließ die Geräte entweder 6 Stunden oder 24 Stunden an Ort und Stelle, bevor sie gepflückt wurden wieder auf.

Die Menge der Kohlenstofffixierung wurde bestimmt, indem der Einbau des markierten Kohlendioxids in Fettsäuren, eine Schlüsselkomponente, aus der die Zellmembran besteht, in Kombination mit der Bewertung der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft unter Verwendung von DNA- und RNA-basierten Ansätzen gemessen wurde.

Die Studie „erweitert das aktuelle Wissen über die Fixierung von dunklem Kohlenstoff in sandigen Küstensedimenten auf die Gebiete, die von hydrothermaler Aktivität betroffen sind“, heißt es in dem Papier. Die Daten der Forscher zeigen, dass der aktive Flüssigkeitsfluss an diesem hydrothermalen Flachwasser-Entlüftungsstandort aus sandigen Sedimenten Kohlenstofffixierungsraten aufrechterhält, die zu den höchsten gehören, die für Sedimente am Küstenrand bestimmt wurden, was den Einfluss der Hydrothermalismus bei der Unterstützung der chemoautotrophen Produktion durch die Bereitstellung der erforderlichen Chemikalien in der Form von Elektronendonatoren wie Schwefelwasserstoff und Akzeptoren wie Sauerstoff.

Extrapoliert man die Produktion an der untersuchten Entlüftungsstelle auf die gesamte Entlüftungsfläche in der Bucht von etwa 4 Acres, werden dort 7 Tonnen Kohlenstoff pro Jahr produziert. „Das ist ungefähr die Jahresproduktion pro Fläche wie ein 4 Hektar großes Maisfeld“, sagt Sievert.

Die Studie fand auch eine sehr aktive mikrobielle Gemeinschaft, die schnell auf Umweltveränderungen reagieren kann. Die chemosynthetische Produktion auf Milos wird hauptsächlich von Campylobakterien angetrieben, die die Gemeinschaften in den offenen Inkubationen dominierten, aber in den geschlossenen Inkubationen zurückgingen. Auch andere Bakterien, insbesondere Gammaproteobacteria, nahmen in Open-Flow-Inkubationen zu, während andere, wie Deltaproteobacteria und Thermodesulfobacteria, in geschlossenen Inkubationen zunahmen. Im Allgemeinen wechselte die Gemeinschaft von einer von chemosynthetischen Mikroben dominierten Gemeinschaft zu einer mit einem höheren Anteil heterotropher Mikroben, dh Mikroben, die organischen Kohlenstoff als Nahrung verwenden, genau wie Menschen. Die Studie ergab, dass sich die mikrobielle Gemeinschaft als Reaktion auf verschiedene Bedingungen innerhalb weniger Stunden veränderte, was sehr schnell ist und die Forscher überraschte.

Die Messung der Mikrobenrate und die Identifizierung der verschiedenen Mikroben an der hydrothermalen Quelle war eine gemeinsame Anstrengung. Diese Zusammenarbeit umfasste Sieverts Expertise bei der Verwendung des Inkubationsgeräts und der Identifizierung der Mikroben auf der Grundlage von DNA- und RNA-basierten Techniken. Darüber hinaus steuerte das Labor der Co-Erstautorin Solveig Bühring, Forscherin an der Universität Bremen, Daten zum Einbau des markierten Kohlendioxids in die Fettsäuren der Mikroben bei.

„Was mich zu dieser Forschung antreibt, ist meine Neugier, zu verstehen, wie die Dinge funktionieren. Mich interessiert, was die Mikroben tun und wie sie dem Ökosystem helfen, zu funktionieren“, sagt Sievert.

„Jede einzelne Mikrobe ist so klein, aber ihre kombinierte Wirkung ist so immens“, fügt er hinzu. „Mikroben sind eine Art Motor unseres Planeten, sie treiben im Grunde alle biogeochemischen Kreisläufe an, wie den Stickstoff- und den Schwefelkreislauf.“