Sommige microben in de diepzee produceren zuurstof op een tot nu toe onbekende manier. Om energie op te wekken, oxideert de archaeasoort 'Nitrosopumilus maritimus' ammoniak in aanwezigheid van zuurstof tot nitraat. Maar toen onderzoekers de microben in luchtdichte containers plaatsten, zonder licht of zuurstof, bleken ze nog steeds in staat om O₂ te produceren voor de oxidatie van ammoniak tot nitriet.
Oceanen spelen een cruciale rol in het handhaven van het zuurstofgehalte in de atmosfeer. Ongeveer 70% van de zuurstof in de atmosfeer wordt geproduceerd door zeeplanten; regenwouden zijn verantwoordelijk voor ongeveer een derde (28%) van de zuurstof op aarde, de resterende 2% is afkomstig van andere bronnen. De oceaan produceert zuurstof door middel van fotosynthese door de zeeplanten (fytoplankton, kelp en algenplankton).
Er bestaat echter een kleine groep microbensoorten in de oceaan die in het donker, bij afwezigheid van zonlicht, zuurstof produceren via een proces dat verschilt van fotosynthese. Nitrosopumilus maritimus behoort nu, op basis van dit vermogen, tot deze kleine groep microben.
Archaea (of archaebacteriën) zijn eencellige microben die qua structuur lijken op bacteriën (zowel archaea als bacteriën zijn dus prokaryoten), maar evolutionair verschillen van bacteriën en eukaryoten , waardoor ze een derde groep levende organismen vormen. Archaea leven in zuurstofarme omgevingen en zijn obligate anaëroben (wat betekent dat ze niet kunnen overleven bij een normaal zuurstofgehalte in de atmosfeer). Zo leven halofielen in extreem zoute omgevingen, produceren methanogenen methaan en leven thermofielen in extreem hete omgevingen.
Ongeveer 30% van het microbiële plankton van de oceanen bestaat uit ammoniak-oxiderende archaea (AOA), die samen met nitrietoxiderende bacteriën (NOB) de belangrijkste anorganische stikstofbron in de oceaan vormen en een sleutelrol spelen in de oceanische stikstofcyclus.
Van beide archaea, AOA en NOB, is bekend dat ze afhankelijk zijn van moleculaire zuurstof (O₂ ) bij de oxidatie van ammoniak tot nitriet.
NH₃ + 1.5 O₂ → NO₂⁻ + H₂O + H⁺
Toch worden deze archaea in overvloed aangetroffen in anoxische mariene omgevingen met zeer lage of zelfs niet-detecteerbare zuurstofniveaus. Dit is zeer verrassend, vooral gezien het feit dat ze geen bekend anaëroob metabolisme hebben. Hun energiemetabolisme vereist zuurstof, maar ze worden aangetroffen in omgevingen waar zuurstof niet detecteerbaar is. Hoe doen ze dat?
Om dit te onderzoeken, voerden de onderzoekers incubaties uit met de archaea Nitrosopumilus maritimus bij extreem lage zuurstofconcentraties in het nanobereik (10⁻⁹ ) . Ze ontdekten dat de archaea na zuurstofuitputting in staat waren om kleine hoeveelheden zuurstof te produceren onder anoxische omstandigheden. Ze produceerden O₂ voor de oxidatie van ammoniak zelf, terwijl ze tegelijkertijd nitriet reduceerden tot lachgas (N₂O ) en stikstof (N₂ ).
Deze studie toonde het proces van anaerobe ammoniakoxidatie aan (hoe de O₂- productie door Nitrosopumilus maritimus in een zuurstofarme oceaanomgeving hen in staat stelt ammoniak te oxideren tot nitraat om energie op te wekken). Ook werd een nieuw proces van N₂ - productie in de diepzee ontdekt.
***
Bronnen:
- Kraft B., c.s. 2022. Zuurstof- en stikstofproductie door een ammoniak-oxiderend archaeon. Wetenschap. 6 januari 2022. Vol 375, uitgave 6576 blz. 97-100. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abe6733
- Martens-Habbena W., en Qin W., 2022. Archaeale nitrificatie zonder zuurstof. Wetenschap. 6 januari 2022. Vol 375, uitgave 6576 blz. 27-28. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abn0373
***
