21.03.2019 Как микробы дирижируют круговоротом азота на Земле

Ученые нашли бактерию, которая питается аммиаком и умеет извлекать энергию из этого газа, превращая его в чистый азот.

Биологи из Германии и Нидерландов обнаружили в океане бактерию, способную питаться моноокисью азота, газом, который раньше считался абсолютно «несъедобным» для всех живых существ. Ее описание и возможные механизмы влияния на глобальное потепление были представлены в журнале Nature Communications.

«Это открытие в корне меняет наши представления о том, как протекает круговорот азота на Земле. В прошлом, мы думали, что оксид азота токсичен для всех организмов, однако теперь мы обнаружили, что, по крайней мере, одна бактерия, питающаяся аммиаком, умеет извлекать энергию из этого газа, превращая его в чистый азот», — рассказывает Боран Картал из Института морской микробиологии в Бремене (Германия).

Сегодня на Земле существует бесчисленное множество микробов, использующих самые разные неорганические вещества в качестве главного источника энергии. К примеру, некоторые микробы поглощают молекулы сероводорода, выбрасываемые горячими источниками, окисляют их, выделяя серу, и используют полученную энергию для производства сахара из углекислоты.

Некоторые из них живут у дна мирового океана и почти не влияют на жизнь сухопутных животных и обитателей верхних слоев морей, тогда как другие микробы давно стали одними из главных «дирижеров» жизни на Земле.

Яркий пример этого – бактерии и археи, участвующие в круговороте азота на Земле. Ни растения, ни животные не могут самостоятельно захватывать его молекулы, и поэтому их выживание всецело зависит от активности микробов, способных «питаться» чистым азотом и превращать его в аммиак и соли азотистой кислоты. Другие жители микромира, наоборот, уничтожают излишки биологически доступного азота, превращая аммиак в чистый азот.

В прошлом, как отмечает Картал, химики и биологи считали, что в этом процессе не участвует лишь один тип соединения азота и кислорода – моноокись азота (NO). Это вещество практически не растворимо в воде, не образует соли, но при этом оно крайне токсично как для многоклеточных существ, так и фактически для всех микробов.

За последнее столетие биологам не удалось найти ни одного микроба, который бы использовал это соединение в качестве окислителя, из-за чего ученые не придавали ему особого значения до тех пор, пока они не обнаружили, что NO играет важную роль в формировании парниковых газов и в разрушении озонового слоя.

Картал и его коллеги «встроили» эту молекулу в природный круговорот азота, обратив внимание на одну необычную особенность бактерий, «переваривающих» аммиак – многие из них производят NO в процессе окисления их «пищи», используя азотистую кислоту (HNO2) в качестве исходного сырья.

Этот шаг, как предположили ученые, появился в цепочке реакций внутри микробов относительно недавно, так как в далеком прошлом атмосфера Земли, если верить недавним открытиям геологов, содержала в себе относительно большие количества этого газа. Руководствуясь этой идеей, биологи отобрали несколько микробов с подобными пищевыми предпочтениями и посадили на «диету» из чистого аммиака и моноокиси азота.

Оказалось, что бактерии вида Kuenenia stuttgartiensis, живущие в пресноводных водоемах и в водах мирового океана, не погибли после перехода на подобный рацион, а продолжили нормально жить и размножаться.

Как показали наблюдения за активностью их генов, появление больших количеств NO в среде обитания заставило микробов «отключить» гены, связанные с производством этого газа и утилизацией его излишков, и начать напрямую использовать моноокись азота для производства питательных веществ.

Что самое интересное, этот переход необычным образом повлиял на весь круговорот азота. При отсутствии NO в питательной среде, Kuenenia stuttgartiensis производят большие количества «веселящего газа», закиси азота, и солей азотной кислоты. Первое вещество относится к числу сильнейших парниковых газов, а вторые – влияют на производство других подобных веществ.

Их производство, как обнаружили ученые, полностью прекращается при переходе на питание моноокисью углерода – бактерии начинают выделять только чистый азот. Соответственно, Kuenenia stuttgartiensis и другие бактерии, способные поглощать NO, могут играть важную роль в снижении количества этих парниковых газов в атмосфере и торможении глобального потепления.

«Существуют и другие микробы, играющие важную роль в работе этой части круговорота азота на Земле. Не исключено, что они тоже умеют напрямую питаться моноокисью азота. Вполне возможно, что они присутствуют фактически во всех уголках Земли», — заключает Картал.

Источник: ria.ru