Den marinen Kohlenstoffkreislauf neu definieren

Es gibt ein grundlegendes ungelöstes Problem in unserem Verständnis des ozeanischen Kohlenstoffkreislaufs: Was ist der Beitrag und die Rolle der heterotrophen anaplerotischen Fixierung bei der Produktion von neuem organischem Material? Die Lösung dieses Rätsels könnte den marinen Kohlenstoffkreislauf neu definieren, indem Heterotrophe als integraler Bestandteil des globalen Ozeans betrachtet werden, nicht nur als Verbraucher, sondern auch als Hauptproduzenten von neuem partikulärem organischem Kohlenstoff, der für das marine Nahrungsnetz verfügbar ist. Daher wird dieses Projekt die Hypothese testen, dass anaplerotische Pfade einen wesentlichen Beitrag zu dem enormen Fluss der ozeanischen dunklen CO2-Fixierung leisten; und dass dieser bisher vernachlässigte C-Fluss im marinen C- Zyklus aktuell relevant ist und als Reaktion auf die Ozeanerwärmung an Bedeutung gewinnen wird. Um unsere Hypothese zu testen, werden wir Feld- und Laborstudien durchführen, die grundlegende biochemische Geschwindigkeitsmessungen kombinieren und modernste molekulare Werkzeuge anwenden. Mit den Feldexperimenten werden wir die ersten spezifischen Dunkel-CO2-Fixierungsraten auf Einzelzellebene für anaplerotische Bakterien im Meer bereitstellen und sehen, wie sie im Vergleich zum heterotrophen Wachstum auf Basis von organischem C (und damit ihre Bedeutung für den marinen C-Kreislauf) abschneiden. Mit den Laborkulturstudien können wir berechnen, wie viel die anaplerotische DIC-Fixierung zur bakteriellen C-Produktion beiträgt und wie relevant die anaplerotische dunkle DIC-Fixierung wichtiger Mikroorganismen im Vergleich zu anderen wichtigen C- Flüssen wie der Atmung ist. Um schließlich den Effekt der Erwärmung auf die anaplerotische DIC-Fixierung zu testen, werden wir sowohl die oben genannten Feld- als auch Laborkulturuntersuchungen unter verschiedenen Meerwassertemperaturen durchführen. Mit diesen Informationen werden wir die Auswirkung der Erwärmung auf die anaplerotische DIC-Fixierung bestimmen und sie mit anderen C-Flüssen wichtiger mariner Mikroben vergleichen. Unser Projekt ist originell, weil das Ausmaß/der Beitrag des anaplerotischen Stoffwechsels heterotropher Mikroben in natürlichen Umgebungen nie bestimmt wurde und daher im ozeanischen Kohlenstoffkreislauf nicht berücksichtigt wird. Unsere Ergebnisse würden auch implizieren, dass nicht nur Autotrophe für die organische C-Produktion verantwortlich sind, sondern dass auch Heterotrophe/Mixotrophe Hauptakteure in der ökologischen C- Produktion sind, was möglicherweise Lehrbücher über die Funktionsweise des C-Zyklus verändert. Angesichts der Ähnlichkeiten mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen Umgebungen ist es sehr wahrscheinlich, dass die Schlüsselrolle der anaplerotischen DIC- Fixierung nicht nur im Ozean, sondern auch in anderen Umgebungen relevant ist, was das transformative Potenzial unseres Projekts weiter ausbaut. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse werden die Grundlage für ein größeres Projekt bilden, um den globalen Beitrag der anaplerotischen DIC-Fixierung zu den globalen C-Budgets zu modellieren/abzuschätzen.

Unser Projekt befasste sich mit einem kritischen Aspekt der Meeresökologie: der Fixierung von gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC). Wir konzentrierten uns darauf, den Beitrag und die Rolle heterotropher Mikroben, bei der Produktion neuer organischer Materie zu untersuchen. Früh erkannten wir eine bisher unbekannte heterotrophe Mikrobe, ein Gammaproteobakterium namens UBA868, die trotz ihrer geringen Häufigkeit die DIC-Fixierung weltweit dominiert. UBA868 trägt erheblich zu den heterotrophen und autotrophen Aktivitäten innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft bei, insbesondere im mesopelagischen Ozean. Es dominiert die Gesamtexpression der RuBisCO-Gene (rbcL Typ II) und der Schlüsselgene für Schwefeloxidation (soxB und rdsrA) in dieser Region. Die Fähigkeit von UBA868, alternative Energiequellen wie die Oxidation von Schwefelverbindungen zu nutzen, macht es zu einem Hauptakteur in den autotrophen und heterotrophen Stoffwechselaktivitäten im mesopelagischen Ozean. Diese Mikrobe schließt eine wichtige Lücke in den ozeanischen Elementzyklen. Traditionell wurde die Ökologie und Biogeochemie der ozeanischen Wassersäule mit obligaten Autotrophen (Phototrophen oder Chemoautotrophen) und Heterotrophen in Verbindung gebracht. Das vorherrschende Paradigma in der Biogeochemie des Tiefseeozeans besagt, dass die organischen Materiequellen, die den Stoffwechsel des Tiefseeozeans unterstützen, entweder aus der euphotischen Schicht stammen (durch die biologische Kohlenstoffpumpe) oder vor Ort durch chemoautotrophe Ammoniak-oxidierende Crenarchaeota und Nitrit-oxidierende Nitrospina und Nitrospira erzeugt werden. Unsere Studie zeigt, dass das mixotrophe Bakterium UBA868 eine bemerkenswerte Rolle bei den biogeochemischen Umwandlungen organischer Materie im tiefen offenen Ozean spielt. Dies unterstreicht die Bedeutung von Mixotrophen neben obligaten Autotrophen und Heterotrophen in den biogeochemischen Zyklen des Ozeans. Unsere Erkenntnisse tragen erheblich zur Weiterentwicklung und potenziellen Transformation des Forschungsfeldes bei, indem sie eine bisher unbekannte und weltweit relevante Mikrobe zeigen, die die Umwandlung von DIC in organischen Kohlenstoff im tiefen Ozean dominiert. Darüber hinaus zeigt unsere Forschung, dass eine bedeutende DIC-Fixierung im Ozean nicht nur von Autotrophen (wie obligaten Fotoautotrophen an der Oberfläche und Chemoautotrophen in den Tiefen) durchgeführt wird, sondern auch von mixotrophen Mikroben. Dieses Projekt definiert den marinen Kohlenstoffkreislauf neu, indem es mikrobielle Mixotrophen als Schlüsselelemente im Kohlenstoffkreislauf und in anaplerotischen Wegen einbezieht. Unsere Ergebnisse implizieren, dass sowohl Autotrophen als auch Heterotrophen/Mixotrophen zentrale Akteure bei der Produktion organischen Kohlenstoffs sind und möglicherweise bestehende Lehrbücher über den Kohlenstoffkreislauf verändern. Angesichts der Ähnlichkeiten mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen Umgebungen ist es wahrscheinlich, dass die Rolle der Mixotrophen und der anaplerotischen DIC-Fixierung über den Ozean hinausgeht, was das transformative Potenzial unseres Projekts verstärkt. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für ein größeres Projekt zur Modellierung und Schätzung des globalen Beitrags der anaplerotischen DIC-Fixierung zu globalen Kohlenstoffbilanzen. Obwohl unsere Forschung grundsätzlich ökologisch ist und keine direkten Auswirkungen über die wissenschaftliche Gemeinschaft hinaus erwartet, hat sie indirekte Auswirkungen auf Bereiche wie Fischerei und globale Erwärmung, die wiederum Wirtschaft und Gesellschaft beeinflussen. Angesichts der globalen Dimension unserer Entdeckungen erwarten wir, dass unsere Forschung weltweit relevant und einflussreich sein wird.