De ontdekking van een 3-in-1 micro-organisme zet schoolboeken op zijn kop

Micro-organismen spelen een cruciale rol bij het in stand houden van de zwavelcyclus en beïnvloeden klimaatprocessen. Het onderzoek heeft diverse, multifunctionele sulfaatreducerende micro-organismen ontdekt, die in staat zijn om tegelijkertijd sulfaat te verminderen en zuurstof in te ademen, waardoor eerdere wetenschappelijke consensus op zijn kop wordt gezet. (Technisch concept.)

Het onderzoek naar voor het milieu relevante micro-organismen laat een grotere diversiteit zien dan eerder werd aangenomen

Een team van onderzoekers heeft aangetoond dat er in de natuur een ongelooflijk hoge biodiversiteit aan voor het milieu relevante micro-organismen bestaat. Deze diversiteit is maar liefst 4,5 keer groter dan eerder bekend. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen onlangs in prestigieuze tijdschriften Natuurcommunicatie en FEMS Microbiologierecensies.

De verborgen wereld van micro-organismen wordt vaak over het hoofd gezien, hoewel veel klimaatgerelateerde processen worden beïnvloed door micro-organismen, vaak geassocieerd met een verbazingwekkende diversiteit aan organismen. Classificeren Binnen de groepen bacteriën en archaea (“archaebacteriën”). Zo zetten sulfaatreducerende micro-organismen bijvoorbeeld een derde van de organische koolstof in mariene sedimenten om in koolstofdioxide. Hierbij ontstaat giftig waterstofsulfide. Aan de positieve kant gebruiken zwaveloxiderende micro-organismen dit snel als energiebron en maken het onschadelijk.

“Deze processen spelen ook een belangrijke rol in meren, moerassen en zelfs in de menselijke darmen om het evenwicht en de gezondheid van de natuur te behouden”, zegt professor Michael Bester, hoofd van de afdeling Micro-organismen aan de Leibniz DSMZ en professor aan het instituut. Microbiologie aan de Technische Universiteit Braunschweig. Eén studie heeft het metabolisme van een van deze nieuwe micro-organismen gedetailleerder onderzocht, waarbij een multifunctionaliteit aan het licht kwam die voorheen onbereikbaar was.

Er is een zeer grote diversiteit aan soorten sulfaatreducerende micro-organismen ontdekt. Sulfaatreduceerders worden nu aangetroffen in in totaal 27 phyla binnen Bacteria en Archaea in plaats van de zes eerder bekende. Krediet: DSMZ

Kritisch evenwicht van de zwavelcyclus

De zwavelcyclus is een van de belangrijkste en oudste biogeochemische cycli op onze planeet. Tegelijkertijd is het nauw verbonden met de koolstof- en stikstofcycli, wat het belang ervan onderstreept. Het wordt voornamelijk beheerd door sulfaatreducerende en zwaveloxiderende micro-organismen. Wereldwijd leiden sulfaatreduceerders ongeveer een derde van de organische koolstof af die elk jaar de zeebodem bereikt. Daarentegen verbruiken zwaveloxidatiemiddelen ongeveer een kwart van de zuurstof in mariene sedimenten.

Wanneer deze ecosystemen uit balans raken, kunnen de activiteiten van deze micro-organismen snel leiden tot zuurstofuitputting en de opbouw van giftig waterstofsulfide. Hierdoor ontstaan ​​‘dode zones’ waar dieren en planten niet langer kunnen overleven. Dit veroorzaakt niet alleen economische schade, bijvoorbeeld aan de visserij, maar ook sociale schade door de vernietiging van belangrijke lokale recreatiegebieden. Het is daarom belangrijk om te begrijpen welke micro-organismen de homeostase van de zwavelcyclus in stand houden en hoe ze dat doen.

Gepubliceerde resultaten tonen aan dat de soortendiversiteit van sulfaatreducerende micro-organismen minstens 27 phyla (stammen) omvat. Voorheen waren er slechts zes phyla bekend. Ter vergelijking: er zijn momenteel 40 fyla’s bekend in het dierenrijk Gewervelde dieren Het behoort tot slechts één phylum, Chordata.

Een schematische weergave van de afbraak van plantenpectine, hetzij door sulfaatreductie, hetzij door zuurstofademhaling in de recent ontdekte acidofiele bacteriën. Krediet: DSMZ

Nieuw ontdekte multifunctionele bacteriesoorten

De onderzoekers waren in staat een van deze nieuwe ‘sulfaatreducers’ in kaart te brengen in de weinig onderzochte phylum Acidobacteria en deze in een bioreactor te bestuderen.

Met behulp van de nieuwste methoden uit de omgevingsmicrobiologie konden ze aantonen dat deze bacteriën energie kunnen halen uit sulfaatreductie en zuurstof kunnen inademen. Deze twee routes sluiten elkaar gewoonlijk uit bij alle bekende micro-organismen. Tegelijkertijd konden de onderzoekers aantonen dat sulfaatreducerende acidobacteriën complexe plantaardige koolhydraten zoals pectine kunnen afbreken – een andere voorheen onbekende eigenschap van ‘sulfaatreduceerders’.

De onderzoekers zetten de kennis uit leerboeken dus op zijn kop. Ze toonden aan dat complexe plantaardige stoffen kunnen worden afgebroken onder zuurstofuitsluiting, niet alleen door een gecoördineerde interactie tussen verschillende micro-organismen, zoals eerder werd gedacht, maar ook door een enkele bacteriesoort via een kortere weg.

Dr. Stefan Dyskma (links) en prof. dr. Michael Bester naast een bioreactor in de DSMZ, waar nieuwe ‘sulfaatreduceerders’ kunnen worden bestudeerd. Krediet: DSMZ

Een andere nieuwe ontdekking is dat deze bacteriën hiervoor sulfaat en zuurstof kunnen gebruiken. Onderzoekers van DSMZ en de Technische Universiteit van Braunschweig onderzoeken momenteel hoe de nieuwe bevindingen de interactie tussen de koolstof- en zwavelcycli beïnvloeden en hoe deze zich verhouden tot klimaatgerelateerde processen.

Referenties:

“Zuurstofademhaling en afbraak van polysachariden door sulfaatreducerende acidofiele bacteriën” door Stefan Dijksma en Michael Bester, 10 oktober 2023, Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-023-42074-z

“Wereldwijde diversiteit en afgeleide ecofysiologie van micro-organismen met uiteenlopende sulfaat-/sulfaatreducerend potentieel” door Mohi Diao, Stefan Dijksma, Elif Koksoy, David Kamanda Ngugi, Karthik Anantharaman, Alexander Lowe en Michael Bester, 5 oktober 2023, FEMS Microbiologie beoordelingen.
doi: 10.1093/femsre/fuad058