Abstract
Den anseelige forekomst og udbredelse af ammoniakoxiderende arkæer (AOA) i mange økosystemer gør dem til nøgleaktører i kvælstofkredsløbet. På trods af deres behov for ilt til opretholdelse af ammoniakoxidation, findes de ofte i store mængder i økosystemer med lav iltkoncentration. En nylig opdagelse vedrørende fysiologien af AOA Nitrosopumilus maritimus udfordrer vores forståelse af disse organismer i anoxiske økosystemer. Ved iltsvind producerer denne arkæon ilt og lattergas (N2O), som efterfølgende reduceres til N2. Den foreslåede reaktionsvej er en nitrogenoxid (NO)-dismutation, men reaktionsvejens fordeling og mellemprodukternes rolle er fortsat ukendt.
Denne afhandling studerer fysiologien af ammoniakoxiderende arkæer udsat for iltsvind og udforsker den potentielle fordeling af metabolismen og N2O’s rolle som potentielt mellemprodukt. Iltproduktion blev observeret efter iltsvind i tre marine AOA fra kladen Nitrosopumilales, én jordbunds-AOA fra kladen Nitrososphaerales og to jordbunds-ammoniakoxiderende bakterier (AOB). Parallelt med iltproduktionen blev der observeret akkumulation af 46N2O og produktion af 30N2 fra 15N mærket nitrit, i de testede AOA-stammer, hvilket understøtter at NO-dismutation udføres af en bred vifte af ammoniakoxiderende mikroorganismer. Forskelle i akkumulations- og forbrugsmønstrene for 46N2O og 30N2 produktion imellem AOA-stammerne tyder på variabilitet i N2O reduktionsevne.
N2O’s rolle som mellemprodukt i ilt- og N2 produktionen blev undersøgt i detaljer i to AOA stammer der blev udsat for iltsvind. Tilsætning af N2O til inkubationerne med igangværende NO-dismutation af N. maritimus og Nitrosopumilus piranensis bekræftede deres evne til enzymatisk reduktion af N2O til N2. Tilsætning af 44N2O i koncentrationer der oversteg de naturligt akkumulerende N2O-koncentrationer, stoppede iltproduktion og de novo 46N2O og 30N2 produktion fra 15NO2- i inkubationer af stammen N. maritimus. Disse resultater indikerer at N2O direkte eller indirekte deltager i reguleringen af NO-dismutation og at N2O-reduktion er uafhængig af NO-dismutation.
Tidligere er det blevet vist at ilt, der akkumuleres af AOA, kan opretholde ammoniakoxidation ved nedsatte rater, og at iltproduktionen fortsætter over flere dage. Det er imidlertid ukendt, om AOA kan koble denne reaktionsvej til autotrofisk vækst, eller om det er en overlevelsesmekanisme til at modstå korte perioder med iltsvind. For at besvare dette spørgsmål målte vi kulstofinkorporation af 13C-bikarbonat i celler af N. maritimus under iltproduktion. Kulstofinkorporeringen, og dermed autotrofisk vækst blev opretholdt under 72 timers inkubationer, omend med lave rater. Disse manuskripter kombineret forfiner vores forståelse af NO-dismutationens fysiologi, de indikerer en øget betydning af AOA i iltfattige økosystemer og de taler for en genovervejelse af vores forståelse af kvælstofkredsløbet i disse økosystemer, særligt vedrørende de mekanismer, der producerer og forbruger drivhusgassen N2O.
Denne afhandling studerer fysiologien af ammoniakoxiderende arkæer udsat for iltsvind og udforsker den potentielle fordeling af metabolismen og N2O’s rolle som potentielt mellemprodukt. Iltproduktion blev observeret efter iltsvind i tre marine AOA fra kladen Nitrosopumilales, én jordbunds-AOA fra kladen Nitrososphaerales og to jordbunds-ammoniakoxiderende bakterier (AOB). Parallelt med iltproduktionen blev der observeret akkumulation af 46N2O og produktion af 30N2 fra 15N mærket nitrit, i de testede AOA-stammer, hvilket understøtter at NO-dismutation udføres af en bred vifte af ammoniakoxiderende mikroorganismer. Forskelle i akkumulations- og forbrugsmønstrene for 46N2O og 30N2 produktion imellem AOA-stammerne tyder på variabilitet i N2O reduktionsevne.
N2O’s rolle som mellemprodukt i ilt- og N2 produktionen blev undersøgt i detaljer i to AOA stammer der blev udsat for iltsvind. Tilsætning af N2O til inkubationerne med igangværende NO-dismutation af N. maritimus og Nitrosopumilus piranensis bekræftede deres evne til enzymatisk reduktion af N2O til N2. Tilsætning af 44N2O i koncentrationer der oversteg de naturligt akkumulerende N2O-koncentrationer, stoppede iltproduktion og de novo 46N2O og 30N2 produktion fra 15NO2- i inkubationer af stammen N. maritimus. Disse resultater indikerer at N2O direkte eller indirekte deltager i reguleringen af NO-dismutation og at N2O-reduktion er uafhængig af NO-dismutation.
Tidligere er det blevet vist at ilt, der akkumuleres af AOA, kan opretholde ammoniakoxidation ved nedsatte rater, og at iltproduktionen fortsætter over flere dage. Det er imidlertid ukendt, om AOA kan koble denne reaktionsvej til autotrofisk vækst, eller om det er en overlevelsesmekanisme til at modstå korte perioder med iltsvind. For at besvare dette spørgsmål målte vi kulstofinkorporation af 13C-bikarbonat i celler af N. maritimus under iltproduktion. Kulstofinkorporeringen, og dermed autotrofisk vækst blev opretholdt under 72 timers inkubationer, omend med lave rater. Disse manuskripter kombineret forfiner vores forståelse af NO-dismutationens fysiologi, de indikerer en øget betydning af AOA i iltfattige økosystemer og de taler for en genovervejelse af vores forståelse af kvælstofkredsløbet i disse økosystemer, særligt vedrørende de mekanismer, der producerer og forbruger drivhusgassen N2O.
Bidragets oversatte titel | Mikrobiel fysiologi af ammoniak-oxiderende arkæer (AOA) udsat for iltbegrænsning |
---|---|
Originalsprog | Engelsk |
Bevilgende institution |
|
Vejledere/rådgivere |
|
Dato for forsvar | 28. apr. 2023 |
Udgiver | |
DOI | |
Status | Udgivet - 23. jun. 2023 |