科学家发现粘滑的微生物有助于保持珊瑚礁的健康

洛斯·贾丁·德拉·雷纳

珊瑚礁,如Los Jardines de la Reina,如图所示,有可能帮助保护珊瑚免受某些营养失衡的影响的微生物。信贷:罗伯特•沃克

细菌擦洗氮气,可能防止某些营养素过载。

珊瑚已经进化了数千年,能够在几乎没有营养物质的水中生活,甚至茁壮成长。在健康的珊瑚礁中,海水通常非常清澈,这主要是因为珊瑚找到了最佳利用周围少数资源的方法。这些条件的任何变化都会使珊瑚的健康失去平衡。

现在,研究人员麻省理工学院伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)与古巴的海洋学家和海洋生物学家合作,已经发现了一些珊瑚物种黏糊糊的生物膜内的微生物,它们可能有助于保护珊瑚免受某些营养失衡的影响。

该团队发现这些微生物可以从珊瑚的周围环境中占用并“擦洗”氮。在低浓度下,氮气可以是珊瑚的必需营养素,为他们提供生长的能量。但是,过多的氮,例如从富含富含氮肥料的浸入海洋中,可以触发藻类的藻类绽放。藻类可以为资源而外翻珊瑚,将珊瑚礁留下并漂白颜色。

通过占用过量的氮,新发现的微生物可以防止藻类竞争,从而用作它们居住的珊瑚的微小保护剂。虽然世界各地的珊瑚正在经历广泛的压力和从全球变暖的漂白,但似乎有些物种已经找到了保护自己免受其他氮素相关的压力来源。

“One of the aspects of finding these organisms in association with corals is, there’s a natural way that corals are able to combat anthropogenic influence, at least in terms of nitrogen availability, and that’s a very good thing,” says Andrew Babbin, the Doherty Assistant Professor in Ocean Utilization in MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences. “This could be a very natural way that reefs can protect themselves, at least to some extent.”

巴宾和他的同事们报道了他们的研究结果ISME杂志

研究人员孵化珊瑚碎片

研究人员在包含的腔室中孵育珊瑚碎片,以测量微生物活性的速率,如左侧所示。MIT教授Andrew Babbin在右侧孵化。信贷:礼貌安德鲁巴宾

死区类似物

巴宾的小组研究海洋生物如何循环氮元素,这是生命的关键元素。海洋中的氮有多种形式,如氨、亚硝酸盐和硝酸盐。巴宾对研究缺氧环境中氮循环的方式特别感兴趣。缺氧环境是海洋中的低氧区域,也被称为“死区”,在那里鱼类很少被发现,微生物可以大量繁殖。

“没有足够的鱼类的地点是细菌开始做不同的东西,这对我们来说是令人兴奋的,”Babbin说。“例如,他们可以开始消耗硝酸盐,这对水有何产生了影响。”

死区并不是海洋中唯一的缺氧区域,细菌在这里可以尽情享用氮。低氧环境可以在更小的尺度上被发现,比如生物膜,从海难的船体到珊瑚礁,覆盖在海洋表面的富含微生物的黏液。

“我们体内有生物膜,可以让不同的厌氧过程发生,”巴宾说。“珊瑚也是如此,它们可以产生大量的粘液,作为氧气的阻碍屏障。”

尽管珊瑚靠近表面,但在氧气范围内,Babbin想知道珊瑚粘液是否有助于促进硝酸盐的细菌的“缺氧口袋”或浓缩区域。

他向WHOI的海洋微生物学家艾米·阿普里尔(Amy Apprill)提出了这个想法。2017年,研究人员和一个科学团队乘船前往古巴,阿普里尔计划在那里对受保护的国家公园——皇家植物园(Jardines de la Reina)——的珊瑚进行研究。

“这种受保护的区域是健康加勒比珊瑚的最后难民之一,”巴宾说。“我们的希望是研究其中一个受影响的区域之一,以获得与珊瑚本身有关的氮循环动态的基线,这将使我们能够了解对该系统的人为扰动。”

抽汲的洗涤塔

在探索珊瑚礁的过程中,科学家们从该地区大量存在的珊瑚物种中提取了小样本。在船上,他们在各自的海水中培养每个珊瑚标本,同时使用氮的示踪剂——一种比海水中自然存在的分子重一些的分子。

它们将样品带回剑桥并用质谱仪分析它们,以测量氮素分子的平衡随时间变化的方式。根据样品中消耗或产生的分子类型,研究人员可以估计氮气降低且基本反对或通过其他代谢过程增加的速率。

在几乎每种珊瑚样本中,他们观察到脱氮率高于大多数其他过程;珊瑚本身的东西很可能占据分子。

研究人员擦拭了每一个珊瑚的表面,并在培养皿中培养出粘滑的标本,他们在培养皿中检测已知的能够代谢氮的特定细菌。这项分析揭示了生活在大多数珊瑚样本中的多种氮擦洗细菌。

“我们的结果意味着这些有机体,与珊瑚一起生活,有办法清理当地的环境,”Babbin说。“有一些珊瑚物种,就像这个脑珊瑚Diploria,即使通过人为变化,也表现出极快的氮循环,恰好是相当耐寒,而且acropora.在整个加勒比地区造成粗糙的形状,表现出非常小的氮循环。“

氮擦洗微生物是否直接有助于珊瑚的健康还不清楚。该研究小组的结果是这种联系的第一个证据。接下来,巴宾计划探索海洋的其他部分,比如热带太平洋,看看类似的微生物是否存在于其他珊瑚上,以及这些细菌在多大程度上有助于保护它们的宿主。他的猜测是,它们的作用与我们自身系统中的微生物相似。

“我们看看人类微生物群的越多,我们就越意识到与我们联合生活的生物越大,推动我们的健康,”Babbin说。“珊瑚礁的完全相同是真的。它是珊瑚微生物组,它定义了珊瑚系统的健康状况。我们想要做的是揭示新陈代谢是珊瑚系统内这种微生物网络的一部分。“

参考:安德鲁·r·巴宾,泰勒·塔马西,戴安娜·杜米特,劳拉·韦伯,玛丽亚·维多利亚·Iglesias Rodriguez,莎拉·l·施瓦茨,麦克尔·Armenteros,斯科特·d·万克尔和艾米·阿普瑞尔,2020年12月20日的《热带古巴石珊瑚含氧氮代谢的发现和量化》ISME杂志
DOI: 10.1038 / s41396 - 020 - 00845 - 2

该研究得到了MIT SEA Grant,Simons Foundation,MIT Montrym,Ferry和Merrra资金,以及Bruce Heflinger'69,SM '71,PHD'80的支持。

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