Команда исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и океанографического института Вудс-Холла исследовала эту ранее забытую область океанографии на предмет признаков пропущенного из виду глобального цикла. Они также проверили, как его существование может повлиять на реакцию океана на разливы нефти.
«Мы продемонстрировали, что в океане существует массовый и быстрый цикл углеводородов, и что он отличается от способности океана реагировать на поступление нефти», – сказал профессор Дэвид Валентайн, занимающий пост президента Норриса в Департаменте Земли.
Наука в UCSB. Исследование, проведенное его аспирантами Элеонор Аррингтон и Коннор Лав, опубликовано в журнале Nature Microbiology.
В 2015 году международная группа под руководством ученых из Кембриджского университета опубликовала исследование, демонстрирующее, что углеводородный пентадекан вырабатывается морскими цианобактериями в лабораторных культурах. Исследователи экстраполировали, что это соединение может иметь важное значение в океане.
По словам Валентин, эта молекула снимает напряжение в изогнутых мембранах, поэтому она находится в таких вещах, как хлоропласты, где плотно упакованные мембраны требуют крайней кривизны. Некоторые цианобактерии по-прежнему синтезируют это соединение, в то время как другие микробы океана охотно потребляют его для получения энергии.
Валентин написал двухстраничный комментарий к статье вместе с Крисом Редди из Woods Hole и решил продолжить обсуждение этой темы с Аррингтоном и Лавом. Они посетили Мексиканский залив в 2015 году, а затем западную Атлантику в 2017 году, чтобы собрать образцы и провести эксперименты.
Команда взяла образцы морской воды из бедного питательными веществами региона Атлантики, известного как Саргассово море, названного в честь плавающих водорослей саргассум, занесенных из Мексиканского залива. Валентин сказал, что это красивая, чистая, голубая вода с привкусом Бермудских островов.
Получение образцов, по-видимому, было довольно сложной задачей. Поскольку пентадекан является обычным углеводородом в дизельном топливе, команде пришлось принять дополнительные меры, чтобы избежать загрязнения от самого корабля. Они попросили капитана развернуть корабль против ветра, чтобы выхлоп не испортил образцы, и проанализировали химическую сигнатуру дизельного топлива, чтобы убедиться, что он не является источником какого-либо пентадекана, который они обнаружили.
Более того, никто не мог курить, готовить или рисовать на палубе, пока исследователи собирали морскую воду. «Это было большое дело, – сказал Валентин, – я не знаю, были ли вы когда-нибудь на корабле в течение длительного периода времени, но вы рисуете каждый день.
Это похоже на мост Золотые Ворота: вы начинаете с одного конца, и к тому времени, когда вы доберетесь до другого конца, пора начинать заново."
Меры предосторожности сработали, и команда собрала образцы нетронутой морской воды. «Стоя перед газовым хроматографом в Вудс-Хоул после экспедиции 2017 года, было ясно, что образцы были чистыми, без признаков дизельного топлива», – сказал соавтор книги Лав. «Пентадекан был безошибочным, и он уже демонстрировал четкие океанографические закономерности даже в первых двух пробах, которые [мы] исследовали."
Из-за их огромной численности в мировом океане, продолжил Лав, «всего два типа морских цианобактерий добавляют в океан в 500 раз больше углеводородов в год, чем сумма всех других видов нефти, поступающей в океан, включая природную нефть. просачивания, разливы нефти, сброс топлива и сток с суши.«Эти микробы в совокупности производят 300-600 миллионов метрических тонн пентадекана в год, что значительно превосходит 1.3 миллиона метрических тонн углеводородов, выброшенных из всех других источников.
Хотя эти количества впечатляют, они немного вводят в заблуждение. Авторы отмечают, что цикл пентадекана охватывает 40% или более поверхности Земли, и более одного триллиона квадриллионов клеток цианобактерий, содержащих пентадекан, взвешены в освещенной солнцем области мирового океана. Однако жизненный цикл этих клеток обычно составляет менее двух дней.
В результате, по оценкам исследователей, в океане в любой момент времени содержится всего около 2 миллионов метрических тонн пентадекана.
Валентин объяснил, что это быстро вращающееся колесо, поэтому фактическое количество, присутствующее в любой момент времени, не особенно велико. «Каждые два дня вы производите и потребляете весь пентадекан в океане», – сказал он.
В будущем исследователи надеются связать геномику микробов с их физиологией и экологией.
У команды уже есть геномные последовательности для десятков организмов, которые размножились, чтобы потреблять пентадекан в своих образцах. «Объем информации невероятен, – сказал Валентин, – и я думаю, он показывает, как много мы не знаем об экологии многих организмов, потребляющих углеводороды."
Подтвердив существование и масштабы этого цикла биогидроуглерода, команда попыталась решить вопрос, может ли его присутствие подтолкнуть океан к разрушению разлитой нефти.
Ключевой вопрос, пояснил Аррингтон, заключается в том, служат ли эти многочисленные микроорганизмы, потребляющие пентадекан, активом при ликвидации разливов нефти. Чтобы исследовать это, они добавили пентан – нефтяной углеводород, похожий на пентадекан – в морскую воду, отобранную на разных расстояниях от естественных нефтяных просачиваний в Мексиканском заливе.
Они измерили общее дыхание в каждом образце, чтобы узнать, сколько времени потребовалось микробам, поедающим пентан, для размножения.
Исследователи предположили, что, если цикл пентадекана действительно заставляет микробы потреблять и другие углеводороды, тогда все образцы должны зацветать с одинаковой скоростью.
Но это было не так.
Образцы, взятые рядом с выходами нефти, быстро зацвели. «Примерно через неделю после добавления пентана мы увидели, что популяция выросла в изобилии», – сказал Валентин. "И это становится все медленнее и медленнее, чем дальше вы удаляетесь, пока, когда вы окажетесь в Северной Атлантике, вы не сможете ждать месяцами и никогда не увидеть цветение.«Фактически, Аррингтону пришлось остаться после экспедиции на объекте в Вудс-Хоул, штат Массачусетс, чтобы продолжить эксперимент с образцами из Атлантики, потому что эти цветы появились так долго.
Интересно, что команда также обнаружила доказательства того, что микробы, принадлежащие к другой области жизни, архей, также могут играть роль в цикле пентадекана. «Мы узнали, что группа загадочных микробов, широко распространенных во всем мире, которые еще предстоит приручить в лаборатории, – может подпитываться пентадеканом на поверхности океана», – сказал соавтор книги Аррингтон.
Результаты вызывают вопрос, почему присутствие огромного пентадеканового цикла, по-видимому, не влияет на распад нефтехимического пентана. «Нефть отличается от пентадекана, – сказал Валентин, – и вам нужно понять, в чем разница и какие соединения на самом деле составляют нефть, чтобы понять, как микробы океана будут на нее реагировать."
В конечном итоге гены, обычно используемые микробами для потребления пентана, отличаются от генов, используемых для пентадекана. «Микроб, живущий в чистых водах у берегов Бермудских островов, с гораздо меньшей вероятностью столкнется с нефтехимическим пентаном по сравнению с пентадеканом, продуцируемым цианобактериями, и, следовательно, с меньшей вероятностью будет нести гены, отвечающие за потребление пентана», – сказал Аррингтон.
Множество различных видов микробов могут потреблять пентадекан, но это не означает, что они могут потреблять и другие углеводороды, продолжил Валентин, особенно с учетом разнообразия углеводородных структур, существующих в нефти. Морские организмы производят менее десятка обычных углеводородов, включая пентадекан и метан. Между тем, нефть состоит из десятков тысяч различных углеводородов.
Более того, сейчас мы видим, что организмы, способные расщеплять сложные нефтепродукты, как правило, в большем изобилии живут рядом с естественными выходами нефти.
Валентин называет это явление «биогеографическим праймингом» – когда микробная популяция океана обусловлена определенным источником энергии в определенной географической области. «И то, что мы видим в этой работе, – это различие между пентадеканом и нефтью, – сказал он, – что важно для понимания того, как разные регионы океана будут реагировать на разливы нефти."
Бедные питательными веществами круговороты, такие как Саргассово море, составляют впечатляющие 40% поверхности Земли. Но, не обращая внимания на землю, остается 30% планеты для изучения других биогидроуглеродных циклов.
Валентин считает, что процессы в регионах с более высокой производительностью будут более сложными и, возможно, обеспечат больше грунтовки для потребления масла. Он также отметил, что природный план производства биологических углеводородов обещает усилия по развитию экологически чистой энергии следующего поколения.