Ένας νέος νέος τρόπος παραγωγής οξυγόνου στον ωκεανό

Μερικά μικρόβια στα βάθη της θάλασσας παράγουν οξυγόνο με έναν άγνωστο μέχρι στιγμής τρόπο. Προκειμένου να παράγει ενέργεια, το είδος των αρχαίων «Nitrosopumilus maritimus» οξειδώνει την αμμωνία, παρουσία οξυγόνου, σε νιτρικά. Αλλά όταν οι ερευνητές σφράγισαν τα μικρόβια σε αεροστεγή δοχεία, χωρίς φως ή οξυγόνο, ήταν ακόμα σε θέση να παράγουν O₂ για χρήση στην οξείδωση της αμμωνίας σε νιτρώδες.  

Οι ωκεανοί διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη διατήρηση του επιπέδου του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Περίπου το 70% των οξυγόνο στην ατμόσφαιρα παράγεται από θαλάσσια φυτά, τα τροπικά δάση αντιπροσωπεύουν περίπου το ένα τρίτο (28%) του οξυγόνου της Γης, το υπόλοιπο 2 τοις εκατό του ΓηΤο οξυγόνο του προέρχεται από άλλες πηγές. Ο ωκεανός παράγει οξυγόνο μέσω της φωτοσύνθεσης από τα ωκεάνια φυτά (φυτοπλαγκτόν, φύκια και πλαγκτόν φυκιών).  

Ωστόσο, υπάρχει μια ομάδα λίγων ειδών μικροβίων που ζουν στον ωκεανό και παράγουν οξυγόνο στο σκοτάδι, απουσία ηλιακού φωτός, μέσω μιας διαδικασίας διαφορετικής από τη φωτοσύνθεση. Nitrosopumilus maritimus έχει πλέον ενταχθεί σε αυτή την ομάδα των χούφτων μικροβίων βάσει αυτής της ικανότητας.  

Τα αρχαία (ή αρχαιβακτήρια) είναι μονοκύτταρα μικρόβια παρόμοια με τα βακτήρια στη δομή (επομένως τόσο τα αρχαία όσο και τα βακτήρια είναι προκαρυωτικά), αλλά εξελικτικά διαφορετικά από τα βακτήρια και ευκαρυωτικά, σχηματίζοντας έτσι μια τρίτη ομάδα ζωντανών οργανισμών. Οι Αρχαίες ζουν μέσα περιβάλλοντα χαμηλά σε οξυγόνο και είναι υποχρεωτικά αναερόβια (που σημαίνει ότι δεν μπορούν να επιβιώσουν στο κανονικό επίπεδο οξυγόνου της ατμόσφαιρας), για παράδειγμα, τα αλόφιλα ζουν σε εξαιρετικά αλμυρά περιβάλλοντα, τα μεθανογόνα παράγουν μεθάνιο, τα θερμόφιλα ζουν σε εξαιρετικά θερμά περιβάλλοντα κ.λπ.  

Περίπου το 30% των μικροβιακών πλαγκτόν των ωκεανών αποτελείται από αρχαία οξειδωτικά της αμμωνίας (AOA), τα οποία μαζί με τα νιτρώδη οξειδωτικά βακτήρια (NOB) παρέχουν την κυρίαρχη πηγή ανόργανου αζώτου στον ωκεανό και παίζουν βασικό ρόλο στον ωκεάνιο κύκλο αζώτου.  

Και τα δύο αυτά αρχαία, δηλ., το AOA και το NOB είναι γνωστό ότι εξαρτώνται από το μοριακό οξυγόνο (O₂) στην οξείδωση της αμμωνίας σε νιτρώδες.  

NH₃ + 1.5 Ο₂ → ΟΧΙ₂^- + Η₂Ο + Η⁺  

Ωστόσο, αυτά τα αρχαία βρίσκονται σε αφθονία σε ανοξικά θαλάσσια περιβάλλοντα με πολύ χαμηλά ή ακόμα και μη ανιχνεύσιμα επίπεδα οξυγόνου. Αυτό είναι πολύ περίεργο, ειδικά δεδομένου του γεγονότος ότι δεν έχουν γνωστό αναερόβιο μεταβολισμό. Ο ενεργειακός μεταβολισμός τους απαιτεί οξυγόνο, ωστόσο βρίσκονται σε περιβάλλοντα όπου το οξυγόνο είναι μη ανιχνεύσιμο. Πώς το κάνουν;  

Για να διερευνηθεί αυτό, το ερευνητές πραγματοποίησε επωάσεις των αρχαίων Nitrosopumilus maritimus σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις οξυγόνου σε νανο (10^-9) εύρος. Διαπίστωσαν ότι μετά την εξάντληση του οξυγόνου, τα αρχαία ήταν σε θέση να παράγουν μικρές ποσότητες οξυγόνου υπό ανοξικές συνθήκες. Παρήγαγαν το Ο₂ για την οξείδωση της ίδιας της αμμωνίας με ταυτόχρονη αναγωγή των νιτρωδών σε υποξείδιο του αζώτου (Ν₂Ο) και διζώτιο (Ν₂). 

Αυτή η μελέτη έδειξε την οδό της αναερόβιας οξείδωσης της αμμωνίας (πώς το O₂ παραγωγή από Nitrosopumilus maritimus σε ωκεάνιο περιβάλλον με μειωμένο οξυγόνο τους επιτρέπει να οξειδώσουν την αμμωνία σε νιτρικό άλας για να παράγουν ενέργεια). Αποκάλυψε επίσης ένα νέο μονοπάτι του Ν₂ παραγωγή στα βαθιά θάλασσα περιβάλλοντος. 

*** 

Πηγές:  

1. Kraft B., et αϊ 2022. Παραγωγή οξυγόνου και αζώτου από έναν αρχαίο οξειδωτικό αμμωνία. Επιστήμη. 6 Ιαν 2022. Τόμος 375, Τεύχος 6576 σελ. 97-100. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abe6733 

2. Martens-Habbena W., and Qin W., 2022. Αρχαϊκή νιτροποίηση χωρίς οξυγόνο. Επιστήμη. 6 Ιαν 2022. Τόμος 375, Τεύχος 6576 σελ. 27-28. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abn0373 

***