Geomicrobiology of oceanic oxygen deficiency zones, GOODZ

Lektor, PhD Bo Thamdrup, Biologisk Institut, Syddansk Universitet

Mens tilstedeværelsen af ilt tillader eksistensen af flercellede organismer i størstedelen af verdenshavene, findes der også udbredte åbne havområder med vedvarende iltmangel, hvor kun mikroorganismer kan leve. Disse iltsvindszoner (ISZ) optager kun ca. 2% af havenes areal; men de spiller en uforholdsmæssig stor rolle i Jordens stofkredsløb, med høj  primærproduktion, stor begravelse af organisk stof, og stor kvælstoffjernelse. Udbredelsen af ISZ påvirkes let af cirkulationen i havet, og kan f.eks. ændres som følge af global opvarmning, med store potentielle konsekvenser. Skønt ISZ er nøglelokaliteter i havets biogeokemiske kredsløb, har vi ringe viden om strukturen og funktionen af de mikrobielle samfund, der dominerer disse systemer, og nye opdagelser har sat spørgsmålstegn ved det eksisterende paradigme for stofkredsløbene i ISZ. Som en del af Galathea3-ekspeditionen gennemføres et omfattende studie af ISZ-regionerne i det Arabiske Hav og ud for Peru, med følgende målsætninger:

1. Udforskning af de mikrobielle samfunds sammensætning og funktion, med identifikation af de organismer, der spiller hovedroller i omsætningen, og med undersøgelser af hvordan virus påvirker samfundets struktur og omsætning
2. Bestemmelse af omsætningsrater for de væsentlige processer, samt disses bidrag til de biogeokemiske kredsløb på lokal og global skala
3. Identifikation og fortolkning af kemiske og biologiske markører af variationen iltsvindsforhold gennem tiderne i havbunden under ISZ.

Betydningen af virus for bakteriernes liv

Man ved nu at virusinfektioner dræber mange af havets bakterier og at de døde bakterier kan udgøre en vigtig næringskilde for de virus resistente bakterier. Virus infektioner regulerer således i nogen udstrækning, hvilke bakterier der dominerer under forskellige forhold. Da bakterierne i havet spiller en helt afgørende rolle for nedbrydningen af organisk stof og dermed de globale kulstof- og kvælstofkredsløb, er det vigtigt at forstå hvad der regulerer forekomsten af forskellige bakterier og deres aktivitetsniveau. Ved at arbejde på et transekt gennem ”upwellingszonen” udfor Chile/Ecuador er det muligt indenfor en lille geografisk afstand at undersøge bakterie-virus forholdene i meget forskellig artede sedimenter med en helt forskellig biogeokemi og omsætning. Fordelingen af virus og bakterier, samt deres produktionsrater vil blive undersøgt i disse forskellige sedimenter for at få en bedre forståelse af deres betydning under forskellige forhold.

Forskere: Ronnie Glud, Mathias Middelboe (Københavns Universitet)

Fjernelse af kvælstof i havet

Vi vil undersøge, hvordan kvælstof fjernes fra havmiljøet ud for Chile og Perus kyster. Her finder vi en af verdens største områder med lave koncentrationer af ilt i vandet - en iltminimumszone. Et lignende område findes i det Arabiske Hav og tilsammen udgør disse områder blot 2% af verdenshavenes areal, men vurderes at være ansvarlig for op til halvdelen af havenes samlede kvælstoffjernelse.

Baggrunden, for at omstæningen af kvælstof er interessant, er at havets produktion bestemmes af, hvor meget kvælstof, der er til stede. Her i projektet har vi valgt at fokusere på de mekanismer, der fjerner kvælstof fra havet. I 1882 blev der opdaget en proces, der kunne fjerne kvælstof, nemlig den såkaldte denitrifikation, hvor bakterier ånder med nitrat og gør kvælstoffet utilgængeligt for planter. I 2002 opdagede vi så en anden proces, der fjerner kvælstof fra havmiljøet, nemlig anammox. Den var kendt fra renseanlæg nogle få år tidligere, og udføres af bakterier, der lader nitrit og ammonium reagere, hvorved kvælstoffet fjernes, og bakterierne får energi.

Vi opdagede oprindeligt anammox i havbunden i Skagerrak, og ved nu at den er vidt udbredt i havbunden. Det har vist sig at anammox' betydning for kvælstoffjernelsen stiger med stigende vanddybde ud til 700 m, hvor den kan udgøre 2/3 af den samlede kvælstoffjernelse. Der eksisterer endnu ikke målinger fra større dybder, men med Galathea-ekspeditionen forventer vi at strække målingerne ud til ca. 5 km's dybde. Vi har også fundet at anammox har en stor betydning i iltfrie vandmasser bl.a. i den sydligste del af iltminimumszonen ud for Chiles kyst. Vi vil på Galathea-ekspeditionen fortsætte vores målinger op gennem denne zone for få et bedre billede af processens betydning. Vi vil desuden udføre eksperimenter for at bestemme hvordan størrelsen af kvælstoffjernelsen reguleres.

Forskere: Tage Dalsgaard (DMU), Bo Thamdrup (Syddansk Universitet)

Fordeling af ilt og nitrat i havbunden:

      Fordelingen af ilt og nitrat i sedimentet er to nøgle-parameter til at estimere omsætningen af organisk stof og til at beskrive de øvrige kemiske forhold i havbunden. Fordelingen kan måles på skibet med mikrosensorer, men sådanne målinger er behæftet med fejl pga. uundgåelige forstyrrelser forbundet med optagning af sediment fra de store dybder. I stedet kan sensorer monteres på ”undervandsrobotter” der selv kan gå ned på havbunden og gennemføre målingerne, hvorefter de vender tilbage til havoverfladen med de indhøstede data. Sammen med ilt og nitrat vil fordelingen af to andre vigtige komponenter; pH og sulfid blive målt. Samlet set giver disse unikke højkvalitets målinger en god basis for at vurdere forholdene i havbunden. Data vil blive brugt sammen med en række andre målinger til at beregne havbundens omsætningsrater af organisk stof og til at forklare fordelingen af mikroorganismer i havbunden.

Forskere: Ronnie Glud (Københavns Universitet), Niels Peter Revsbech (Aarhus Universitet)

Mikrobiel mangfoldighed i den iltfattige zone

Havvand er smækfyldt med mikroorganismer - omkring 1 milliard bakterier og arkæer per liter. De iltfattige forhold i OMZen må forventes at give anledning til en speciel mikrobiel mangfoldighed og aktivitet. Vi kan til en vis grad måle disse mikrobers vækst og deres omsætning af næringsstoffer, men det er straks sværere at identificere hvilken type mikrober der er og hvem der laver hvad. Vi vil undersøge den mikrobielle sammensætning og aktivitet ved at indsamle og analysere mikrobernes DNA. Dette DNA udgør mikrobernes genom og indeholder i princippet al information om mikrobernes identitet og fysiologiske formåen. Individuelle gener og lange fragmenter med mange gener der er involveret i specifikke fysiologiske processer (såsom ribosomerne og omsætning af kulstof, nitrogen, og svovl) skal undersøges ved kloning og sekventering samt DNA-DNA hybridisering. Vi er også interesserede i de mikrober i OMZen der kan omsætte svovlforbindelser. Idet det er muligt at der kan være helt iltfrit (anaerobt) i OMZen, er det muligt der også findes sulfid (H2S) som ellers ikke normalt findes i havvand. Vi vil forsøge at måle denne sulfid og at identificere mikrober som kan oxidere sulfiden. Idet der formentlig også er en smule sollys i OMZen er det muligt at der findes anaerobe fotosyntetiske bakterier. Vi er specielt interesserede i de fotosyntetiske grønne og røde svovlbakterier der kan oxidere sulfid.

Forsker: Niels-Ulrich Frigaard

Nitratåndende kæmpebakterier

Uden ilt dør vi og mange andre organismer. Men vi ved, at nogle bakterier kan overleve ved at ”trække vejret” med nitrat og vi har netop været med til at opdage, at der også findes dyr der ånder med nitrat. Vi forventer at kunne beskrive en hel ”nitratverden”, på havbunden under iltminimumzonen, med en mangfoldighed af bakterier og dyr, hvis liv er baseret på nitratånding i stedet for ilt. En gruppe bakterier vi forventer at finde i store mængder er svovlbakterier, der hører til blandt bakterie giganterne. Svovlbakterierne er så store og fyldt med skinnende, hvide svovlkugler, så man behøver ikke mikroskop for at få øje på dem. Vi vil finde ud af hvad de nitratåndende dyr og bakterier betyder for økologien i iltminimumzonen og tage vores viden med hjem til Danmark, hvor årlige iltsvindsbegivenheder også giver grobund for nitratverden.

Forskere: Signe Ingvardsen, Lars Peter Nielsen, Niels Peter Revsbech (Aarhus Universitet), Bo Barker Jørgensen (MPI-Bremen)

Mikrobielle processer i havbunden.

En  del af havets algeproduktion og zooplanktonproduktion (herefter omtalt mere generelt som organisk materiale) havner på havbunden, hvor det giver næring til bundlevende dyr og bakterier.((Jo større vanddybde – jo mindre organisk materiale vil nå ned til havbunden))  Større dyr, som for eksempel børsteorme, transporter ved deres graveaktivitet en del af det bundfældende organiske materiale ned i havbunden. Samtidig tildækker det ny-nedfaldene organiske materiale det allerede bundfældende materiale. Ved begge processer fjernes det organiske materiale fra de iltholdige områder/zone ved havbundens overflade. Derved går nedbrydningen af det organiske materiale dog ikke i stå. Bundlevende encellede dyr og bakterier, som kan leve uden at bruge ilt i deres stofskifte, fortsætter nedbrydningen. Nedbrydningsveje for det organiske materiale i den iltfrie del af havbunden er ganske kompleks og involverer en lang række forskellige mikroorganismer. Typisk startes nedbrydningen af bakterier,  som producerer enzymer, der kan spalte komplekse organiske polymermolekyler, såsom proteiner og polysakkarider (cellulose, stivelse, kitin). De deraf resulterende lavmolekylære nedbrydningsprodukter, kan udnyttes af en lang række bakterier, som kan leve ved forgæring alene eller kan anvende andre åndningsmidler end ilt. Størsteparten af det organiske materiale bliver brugt (nedbrydes) af de sulfatåndende bakterier, som udskiller store mængde af det meget giftige stof sulfid (svovlbrinte). Dog ikke alt organisk stof nedbrydes. Cirka 0.1 % begraves og deponeres i havbunden over geologisk tid. Det skal vi være glæd for, da denne ”begravelse/deponering” sikre os ilt i atmosfæren, som vi og en meget stor del af de levende organismer er afhængige af.

Forskere: Bente Aa. Lomstein, Kjeld Ingvorsen, Kai Finster (Aarhus Universitet)

Crenarchaeotae, små men måske meget betydningsfulde mikroorganismer i de iltfattige zoner.

Crenarchaeotae (udtales kræn-arkæotæ) er en gruppe mikroorganismer, som man typisk kender fra varme kilder, saltsøer og andre ekstreme miljøer. Det var derfor en stor overraskelse da man for få år siden opdagede store mængder af Crenarchaeota under helt ”normale” forhold i havet. Siden har man også fundet mange Crenarchaeotae i den iltfattige zoner ud for Peru, men deres betydning for miljøet er fuldstændig ukendt. På Galathea3-ekspeditionen vil vi bruge molekylære metoder som er baseret på fluoureocerende rRNA prober (metoderne kaldes forkortet FISH og cardFISH) til at identificere og tælle Crenaocheoterne i den iltfattige zone. Vi vil også ved brug af stabile (¹⁵N-mærket nitrat og ammonium)  og radioaktivt mærkede (¹⁴C mærket CO₂ og acetat) substrater undersøge hvilken stofskifte type Crenarchaeoterne anvender, og hvor stor betydning de har for de samlede kulstof- og kvælstofkredsløb i området.

Forskere: Kirsten Habicht (Syddansk Universitet), Jeppe L. Nielsen (Aalborg Universitet), Andreas Schramm (Aarhus Universitet)