Wpływ żelaza na poziom CO2 wytwarzanego przez oceaniczne bakterie
Większość biomasy w oceanach stanowią mikroorganizmy, takie jak fitoplankton i bakterie. Fitoplankton wychwytuje energię słoneczną przy powierzchni oceanu i w procesie fotosyntezy pochłania dwutlenek węgla (CO2) i uwalnia tlen (O2). Bakterie z kolei uwalniają CO2 podczas oddychania, a O2 jest im potrzebny do wzrostu. „Co roku przy powierzchni oceanów pochłaniane jest około 10 miliardów ton węgla. To tyle samo, ile wynosi całkowita suma CO2 wytwarzanego przez ludzi”, mówi Marion Fourquez, stypendystka działań „Maria Skłodowska-Curie” biorąca udział w finansowanym ze środków UE projekcie BULLE. „Nie wiemy jednak, co dokładnie dzieje się z CO2. Zamiast sekwestrowania go przez bakterie w głębokim oceanie, bakterie mogłyby nim oddychać”. Równowaga metaboliczna oceanu, czyli różnica między tempem sekwestracji CO2 w procesie fotosyntezy a uwalnianiem CO2 do atmosfery podczas oddychania, ma istotne znaczenie dla klimatu. „Oddychanie bakterii stanowi 50–90 % całkowitego oddychania w oceanach, lecz jego kluczowa rola w oceanicznej sekwestracji CO2 pozostaje niezbadana”, mówi Fourquez pracująca na Aix-Marseille Université, uczelni pełniącej rolę gospodarza projektu. Badacze z projektu BULLE wprowadzili pojęcie „współczynnika oddechowego” (ang. respiratory quotient, RQ), za pomocą którego wyrażany jest stosunek między objętością zużytego CO2 a wytworzonym O2. Dzięki niemu możliwe jest oszacowanie wychwytywanego w oceanach dwutlenku węgla.
Oceaniczna równowaga metaboliczna
Kiedy dominuje fotosynteza, ocean znajduje się w stanie „autotrofii” netto, a fitoplankton wytwarza więcej O2 i materii organicznej niż podczas oddychania zużywają inne organizmy, takie jak bakterie. Kiedy zaś dominuje oddychanie, życie w oceanie może przyczyniać się do emisji CO2 do atmosfery. Zjawisko to nie zostało dobrze opisane, częściowo dlatego, że trudno jest zmierzyć za pomocą tradycyjnych technik CO2 uwalniany podczas oddychania przez drobnoustroje. Tak więc współczynniki oddechowe są mierzone poprzez zużycie O2, a następnie przeliczane na zużycie CO2 poprzez zastosowanie RQ, przy czym w większości badań zakłada się, że RQ jest stałe i równe 1. „Źródło węgla wykorzystywanego przez bakterie podczas oddychania teoretycznie wpływa na RQ i sprawia, że staje się on zmienną. Postawiłam hipotezę, że alternatywne szlaki metaboliczne, będące prawdopodobnie adaptacją do stresu, mogą również wpływać na RQ”, wyjaśnia Fourquez. „Jako pierwsi odkryliśmy, że RQ znacznie spada, kiedy w komórkach bakterii występuje niedobór żelaza. To istotne, ponieważ prawie jedna trzecia oceanów jest uboga w żelazo, co przekłada się na niepewność obliczeniową związaną z bieżącymi kalkulacjami cyklu węglowego”.
Badania komórek i środowiska
W projekcie BULLE połączono różne techniki pomiaru RQ u bakterii morskich, zarówno w laboratorium (kontrolowane warunki z większą ilością biomasy, a więc wyższy sygnał), jak i w terenie (niższa biomasa, więc słabszy sygnał odbierany przez czujniki). W laboratorium zastosowano spektrometrię mas z wlotem membranowym do pomiaru wytwarzanego przez bakterie podczas oddychania CO2 i zużywanego O2. „Ta metoda nigdy wcześniej nie była wykorzystywana w tym celu, ale udało nam się wdrożyć ją za pomocą wielu czujników – temperatury, pH itp.”, zaznacza Fourquez. Podczas wyprawy SWINGS na Ocean Południowy Fourquez opracowała również nową metodę pomiaru na morzu, wykorzystując znakowanie stabilnych izotopów węgla (13C) do pomiaru wytwarzanego CO2 i asymilacji węgla w komórkach bakteryjnych podczas oddychania. „Pozwoliło mi to prześledzić, jak węgiel wnika z otoczenia do komórki, a następnie jest wydychany”, wyjaśnia uczona. Aby dokładnie oszacować RQ na wielu stanowiskach, zastosowano połączenie metod takich jak NanoSIMS, spektrometria mas izotopów stabilnych, tradycyjna metoda Winklera oraz zastosowanie nowoczesnych czujników O2.
Modelowanie globalnego budżetu węglowego
Skala i zmienność oddychania mikrobiologicznego jest czynnikiem wpływającym na odtlenienie oceanów, które powoduje zanikanie wodnej flory i fauny. Na średnich i dużych głębokościach przewiduje się dalszą utratę tlenu, pogłębioną przez wzmożone oddychanie. „Zastosowane przez nas innowacyjne połączenie spektrometrii mas i technologii biomolekularnych umożliwi lepsze zrozumienie cyklu tlenowego w oceanie”, dodaje Fourquez. Fourquez zamierza teraz stworzyć model globalnego budżetu węglowego, a także opracować przyjazne dla użytkownika bioindykatory do zapobiegania epizodom odtleniania i monitorowania występujących już epizodów.
Słowa kluczowe
BULLE, fotosynteza, fitoplankton, oddychanie mikrobiologiczne, węgiel, ocean, żelazo, tlen, spektrometria mas
