Verborgen koolstofrecyclers op aarde: Zwavelbacteriën werken samen om organische stoffen in de zeebodem af te breken

Onderzoek naar de rol van sulfaat-reducerende bacteriën

Om te bepalen welke moleculaire hulpmiddelen de sulfaat-reducerende bacteriën gebruiken, analyseerden de onderzoekers het volledige eiwitprofiel, ook wel het proteoom genoemd. In totaal onderzochten ze de resultaten van 80 verschillende testomstandigheden. Elke keer scheidden ze het eiwitmengsel in verschillende stappen, totdat elke individuele verbinding kon worden geïdentificeerd. Een scheidingsgel met blauwe banden van eiwitten met een vergelijkbare grootte en lading werd op een lichttafel geplaatst. Een robotarm snijdt minuscule stukjes uit de gel, die van enkele tot meer dan honderd verschillende eiwitten kunnen bevatten. Deze voor-gesorteerde eiwitten worden vervolgens verder geanalyseerd met behulp van een chromatograaf en massaspectrometer.

Sulfaat-reducerende bacteriën breken een groot deel van de organische koolstof af in de zuurstofloze zones van de aarde, en vooral op de zeebodem. Binnen deze belangrijke microben springt de familie van de Desulfobacteraceae eruit, omdat de leden in staat zijn om een breed scala aan verbindingen, inclusief moeilijk afbreekbare stoffen, om te zetten in hun eindproduct, kooldioxide (CO2).

Een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Lars Wöhlbrand en Prof. Dr. Ralf Rabus van de Universiteit van Oldenburg, Duitsland, heeft de rol van deze microben uitgebreid onderzocht en de bevindingen van hun uitgebreide studie gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances. Het team rapporteert dat de bacteriën wereldwijd verspreid zijn en een complex metabolisme hebben dat modulare kenmerken vertoont. Alle bestudeerde stammen beschikken over dezelfde centrale metabolische architectuur voor energie-onttrekking.

Echter, sommige stammen hebben aanvullende stam-specifieke moleculaire modules die hen in staat stellen om diverse organische stoffen te benutten. De onderzoekers wijzen het milieusucces van deze bacteriegroep toe aan dit veelzijdige modulaire systeem. Ze leggen ook uit dat hun studie nieuwe analytische hulpmiddelen biedt om onze kennis van de rol van sulfaat-reducerende microben in de wereldwijde koolstofcyclus verder te vergroten en hun relevantie voor het klimaat aan te tonen.

Leven aan de thermodynamische limiet

“Deze sulfaat-reductoren leven hun leven aan de thermodynamische limiet,” legt Rabus uit, die het werkgebied Algemene en Moleculaire Microbiologie leidt aan het Instituut voor Chemie en Biologie van het Mariene Milieu (ICBM) van de Universiteit van Oldenburg. Deze bacteriën gebruiken sulfaat in plaats van zuurstof voor hun ademhaling, en ze onttrekken slechts een fractie van de energie die aerobe bacteriën kunnen winnen uit de afbraak van organische stoffen. Desondanks zijn ze uiterst actief en spelen ze een sleutelrol in de afbraak van organisch materiaal op de zeebodem.

“Er wordt geschat dat in kustwateren en schapgebieden, waar bijzonder grote hoeveelheden organisch materiaal worden afgezet, sulfaat-reducerende bacteriën verantwoordelijk zijn voor meer dan de helft van de afbraak op de zeebodem,” merkt Rabus op.

Hij legt uit dat de dominante leden van de bacteriële gemeenschap vaak tot de Desulfobacteraceae-familie behoren, en de activiteit van deze microben is duidelijk zichtbaar in omgevingen zoals slikken, waar het sediment slechts enkele millimeters onder het oppervlak zuurstofloos is. “Dit leidt tot de vorming van stinkende waterstofsulfide en de kenmerkende zwarte ijzersulfide neerslag,” legt hij uit.

Er was echter weinig bekend over de rol die leden van de Desulfobacteraceae-familie spelen in de afbraak van organisch materiaal op wereldniveau, of over de onderliggende moleculaire mechanismen. Om een gedetailleerder overzicht te krijgen, analyseerde het team eerst de wereldwijde verspreiding van deze sulfaat-reducerende bacteriën. Een literatuurstudie toonde aan dat ze wereldwijd verspreid zijn en voorkomen in alle mariene gebieden tussen de Arctische en Antarctische gebieden, met name in omgevingen met een laag zuurstofgehalte of zuurstofloze omgevingen, zoals verwacht.

Vergelijkbare moleculaire strategieën voor afbraak van organische verbindingen

In de volgende stap kweekten de onderzoekers zes zeer verschillende stammen van Desulfobacteraceae. “Sommige zijn specialisten die alleen bepaalde verbindingen afbreken, terwijl anderen een breed spectrum aan stoffen kunnen benutten. Sommige zijn klein en bolvormig, andere zijn langwerpig of zelfs filamentvormig,” legt de hoofdauteur van de studie, Lars Wöhlbrand, uit.

Om hun metabolisme te ontrafelen, voerden de onderzoekers de microben in totaal 35 verschillende stoffen (subsidies) toe, variërend van eenvoudige fermentatieproducten tot lange-keten vetzuren en moeilijk afbreekbare aromatische verbindingen. In totaal werden 80 testomstandigheden gebruikt voor de zes bestudeerde stammen. Het team analyseerde vervolgens welke genen werden geactiveerd tijdens de afbraak van deze stoffen en welke eiwitten de microben voor dit proces gebruikten. Het bleek dat de verschillende stammen zeer vergelijkbare moleculaire strategieën toepassen om de stoffen af te breken en dat alle zes stammen ook dezelfde uiterst energie-efficiënte route voor het centrale metabolisme gebruiken.

De onderzoekers concluderen dat de Desulfobacteraceae samenwerken als een team en daardoor in staat zijn om een groot aantal verschillende substraten af te breken onder verschillende geochemische omstandigheden en op een breed scala van geografische locaties. “Er is geen enkele, dominante sleutelsoort,” benadrukt Rabus. In plaats daarvan functioneren de bacteriën als een samenwerkende gemeenschap, vergelijkbaar met een voetbalteam.

“Elk team heeft een doelman en een aanvaller, maar elk team doet ook dingen op zijn eigen manier,” voegt Wöhlbrand toe. Deze veelzijdigheid kan ook verklaren waarom de Desulfobacteraceae tot de meest wijdverspreide sulfaat-reductoren ter wereld behoren.

Samen met Prof. Dr. Michael Schloter van de Technische Universiteit van Munchen, Duitsland, onderzochten de onderzoekers vervolgens of de genetische blauwdrukken voor bepaalde sleutelmodules in het metabolische netwerk konden worden gedetecteerd in sedimentmonsters. In feite ontdekten ze de geselecteerde genen in bijna alle geanalyseerde monsters uit mariene gebieden, variërend van ondiepe wateren tot de diepe zee, inclusief nutriëntenrijke estuaria, hete en koude diepzeebronnen en sedimenten uit de zuurstofarme Zwarte Zee.

Het team concludeert dat hun analyse in de eerste plaats de sleutelrol van Desulfobacteriaceae in de afbraak van koolstof op wereldniveau onderstreept en in de tweede plaats aantoont dat de onderzochte genen kunnen worden gebruikt als analytische hulpmiddelen om microbieel activiteit direct in de zeebodem te bestuderen.

“De betekenis van sulfaat-reducerende bacteriën in de koolstofcyclus is waarschijnlijk tot nu toe onderschat,” zegt Prof. Dr. Michael Winklhofer van het Instituut voor Biologie en Milieuwetenschappen van de Universiteit van Oldenburg, die betrokken was bij de analyse. De geofysicus voegt eraan toe dat de rol van deze anaërobe microben in koolstofafbraakprocessen in kustgebieden in de toekomst kan toenemen, omdat het zuurstofgehalte van de oceanen sinds circa 1960 is afgenomen als gevolg van overbemesting en de opwarming van de aarde.