Молекулярный водород в морской воде поддерживает рост разнообразных морских бактерий

Природная микробиология, том 8, страницы 581–595 (2023 г.) Процитировать эту статью

10 тысяч доступов

2 цитаты

483 Альтметрика

Подробности о метриках

Молекулярный водород (H2) является обильным и легкодоступным источником энергии в морских системах, но остается неизвестным, потребляют ли этот газ морские микробные сообщества. Здесь мы используем ряд подходов, чтобы показать, что морские бактерии потребляют H2 для поддержания роста. Гены гидрогеназ, поглощающих H2, преобладают в метагеномах глобального океана, высоко экспрессируются в метатранскриптомах и обнаруживаются в восьми бактериальных типах. Способность к окислению H2 увеличивается с глубиной и уменьшается с увеличением концентрации кислорода, что позволяет предположить, что H2 важен в средах с низким первичным производством. Биогеохимические измерения тропических, умеренных и субантарктических вод, а также аксенических культур показывают, что морские микробы потребляют H2, поставляемый в экологически значимых концентрациях, обеспечивая достаточную удельную энергию для клеток, чтобы поддерживать рост бактерий с низкими энергетическими потребностями. И наоборот, наши результаты показывают, что окисление угарного газа (CO) в первую очередь способствует выживанию. В целом H2 является важным источником энергии для морских бактерий и может влиять на экологию и биогеохимию океана.

За последнее десятилетие микроэлементы стали основными источниками энергии, поддерживающими рост и выживание аэробных бактерий в наземных экосистемах. Два малых газа, молекулярный водород (H2) и окись углерода (CO), являются особенно надежными субстратами, учитывая их повсеместное распространение, способность к диффузии и выход энергии1. Бактерии окисляют эти газы, в том числе в концентрациях ниже атмосферного, с помощью [NiFe]-гидрогеназ группы 1 и 2 и дегидрогеназ монооксида углерода формы I, связанных с аэробными дыхательными цепями2,3,4,5,6. Окисление следовых газов позволяет разнообразным органогетеротрофным бактериям выживать в течение длительного времени при отсутствии предпочитаемых ими органических субстратов роста7,8. Кроме того, различные микроорганизмы могут расти миксотрофно за счет совместного окисления микроэлементов с другими органическими или неорганическими источниками энергии7,9,10. На данный момент экспериментально показано, что бактерии восьми различных типов потребляют H2 и CO на уровне окружающей среды1, при этом множество других бактерий кодируют детерминанты этого процесса6,11. В масштабе экосистемы большинство бактерий в почвенных экосистемах содержат гены окисления микроэлементов, и специфичные для клеток скорости окисления микроэлементов теоретически достаточны для поддержания их выживания12,13. Однако, поскольку большинство этих исследований были сосредоточены на почвенной среде или изолятах, более широкое значение окисления следовых газов остается в значительной степени неизученным.

Примеси газов могут быть важным источником энергии для океанических бактерий, поскольку они обычно доступны в повышенных концентрациях по сравнению с атмосферой, в отличие от большинства почв1. Поверхностные слои мирового океана, как правило, перенасыщены H2 и CO, как правило, в 2–5 раз (до 15 раз) и в 20–200 раз (до 2000 раз) относительно атмосферы соответственно14. 15,16,17. В результате океаны способствуют чистым выбросам этих газов в атмосферу18,19. CO в основном образуется в результате фотохимического окисления растворенных органических веществ20, тогда как H2 в основном образуется в результате фиксации азота цианобактериями21. Высокие концентрации H2 также образуются во время ферментации в гипоксических отложениях, и эти высокие концентрации могут диффундировать в вышележащую толщу воды, особенно в прибрежных водах22. По невыясненным причинам распределение этих газов варьируется в зависимости от широты и демонстрирует противоположные тенденции: в то время как растворенный CO сильно перенасыщен в полярных водах, H2 часто недонасыщен23,24,25,26,27,28. Эти различия, вероятно, отражают различия в относительных темпах производства и потребления газовых примесей в разных климатических условиях.

Давно известно, что океанические микробные сообщества потребляют CO, хотя их способность использовать H2 систематически не оценивалась29. Примерно четверть бактериальных клеток в поверхностных водах океана кодируют дегидрогеназы CO в поверхностных водах, и они охватывают широкий спектр таксонов, включая распространенное во всем мире семейство Rhodobacteraceae (ранее известное как морская клада Roseobacter)6,30,31,32,33. Основываясь на наблюдениях за почвенными сообществами, окисление CO потенциально увеличивает долгосрочное выживание морских бактерий в периоды нехватки органического углерода6; последовательно исследования, основанные на культурах, показывают, что CO не влияет на рост морских изолятов, но выработка ответственных за это ферментов сильно увеличивается во время голодания34,35,36,37. Хотя аэробное и анаэробное окисление H2 широко описано в сообществах бентосных и гидротермальных жерл38,39,40,41,42, до сих пор ни одно исследование не показало, могут ли пелагические бактериальные сообщества использовать этот газ. Несколько исследований выявили потенциальные H2-окисляющие гидрогеназы в образцах морской воды и изолятах6,11,40,43. Хотя хорошо известно, что цианобактерии окисляют H2, включая морские изоляты, такие как Trichodesmium, считается, что этот процесс ограничивается эндогенной рециркуляцией H2, образующейся в результате нитрогеназной реакции44,45.