วิธีใหม่ในการผลิตออกซิเจนในมหาสมุทร

จุลินทรีย์บางชนิดในทะเลลึกผลิตออกซิเจนในลักษณะที่ไม่รู้จักมาก่อน เพื่อที่จะสร้างพลังงาน สายพันธุ์อาร์เคีย 'Nitrosopumilus maritimus' จะออกซิไดซ์แอมโมเนียในที่ที่มีออกซิเจน ไปเป็นไนเตรต แต่เมื่อนักวิจัยผนึกจุลินทรีย์ในภาชนะที่ปิดสนิทโดยไม่มีแสงหรือออกซิเจน พวกมันก็ยังสามารถผลิต O . ได้₂ สำหรับใช้ในการออกซิเดชั่นของแอมโมเนียไปเป็นไนไตรต์  

มหาสมุทรมีบทบาทสำคัญในการรักษาระดับออกซิเจนในบรรยากาศ ประมาณ 70% ของ ออกซิเจน ในชั้นบรรยากาศเกิดจากพืชทะเล ป่าไม้มีออกซิเจนประมาณหนึ่งในสาม (28%) ของออกซิเจนในโลก ส่วนที่เหลืออีก 2 เปอร์เซ็นต์ของ โลกออกซิเจนมาจากแหล่งอื่น มหาสมุทรผลิตออกซิเจนผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยพืชในมหาสมุทร (แพลงก์ตอนพืช สาหร่ายเคลป์ และแพลงก์ตอนสาหร่าย)  

อย่างไรก็ตาม มีจุลินทรีย์บางกลุ่มที่อาศัยอยู่ในมหาสมุทรที่ผลิตออกซิเจนในความมืด โดยปราศจากแสงแดด โดยผ่านกระบวนการที่แตกต่างจากการสังเคราะห์ด้วยแสง ไนโตรโซพูมิลุส มาริติมัส ได้เข้าร่วมกลุ่มจุลินทรีย์จำนวนหนึ่งโดยอาศัยความสามารถนี้แล้ว  

อาร์เคีย (หรืออาร์เคียแบคทีเรีย) เป็นจุลินทรีย์เซลล์เดียวคล้ายกับแบคทีเรียในโครงสร้าง (เพราะฉะนั้นทั้งอาร์เคียและแบคทีเรียจึงเป็นโปรคาริโอต) แต่มีวิวัฒนาการที่แตกต่างจากแบคทีเรียและ ยูคาริโอจึงก่อตัวเป็นสิ่งมีชีวิตกลุ่มที่สาม. อาร์เคียอาศัยอยู่ สภาพแวดล้อม ออกซิเจนต่ำและเป็นสภาวะไร้อากาศบังคับ (หมายความว่าพวกมันไม่สามารถอยู่รอดได้ในระดับออกซิเจนในบรรยากาศปกติ) ตัวอย่างเช่น ฮาโลฟิลอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มมาก เมทาโนเจนจะผลิตก๊าซมีเทน เทอร์โมไฟล์อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ร้อนจัด เป็นต้น  

ประมาณ 30% ของแพลงตอนจุลินทรีย์ในมหาสมุทรประกอบด้วยแอมโมเนียออกซิไดซ์อาร์เคีย (AOA) ซึ่งร่วมกับแบคทีเรียไนไตรต์ออกซิไดซ์ (NOB) เป็นแหล่งไนโตรเจนอนินทรีย์ที่โดดเด่นในมหาสมุทรและมีบทบาทสำคัญในวัฏจักรไนโตรเจนในมหาสมุทร  

อาร์เคียทั้งสองนี้ ได้แก่ AOA และ NOB ขึ้นอยู่กับโมเลกุลออกซิเจน (O₂) ในการออกซิไดซ์แอมโมเนียไปเป็นไนไตรต์  

NH₃ + 1.5 ออ₂ → ไม่₂^- + H₂โอ + โฮ⁺  

กระนั้น อาร์เคียเหล่านี้พบมากในสภาพแวดล้อมทางทะเลที่ไม่เป็นพิษซึ่งมีระดับออกซิเจนต่ำมากหรือตรวจไม่พบ สิ่งนี้น่าประหลาดใจมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขาไม่มีเมตาบอลิซึมแบบไม่ใช้ออกซิเจน เมแทบอลิซึมของพลังงานของพวกมันต้องการออกซิเจน แต่พวกมันถูกพบในสภาพแวดล้อมที่ไม่สามารถตรวจจับออกซิเจนได้ พวกเขาทำมันได้อย่างไร?  

เพื่อตรวจสอบสิ่งนี้ นักวิจัย ทำการฟักตัวของ archaea ไนโตรโซพูมิลุส มาริติมัส ที่ความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำมากในระดับนาโน (10^-9) พิสัย. พวกเขาพบว่าหลังจากการสูญเสียออกซิเจน อาร์เคียสามารถผลิตออกซิเจนในปริมาณเล็กน้อยภายใต้สภาวะที่ไม่เป็นพิษ พวกเขาผลิตO₂ สำหรับออกซิเดชันของแอมโมเนียในขณะเดียวกันก็ลดไนไตรต์เป็นไนตรัสออกไซด์ (N₂O) และไดไนโตรเจน (N₂). 

การศึกษานี้แสดงให้เห็นวิถีของการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียแบบไม่ใช้ออกซิเจน (วิธี O₂ ผลิตโดย ไนโตรโซพูมิลุส มาริติมัส ในสภาพแวดล้อมมหาสมุทรที่ขาดออกซิเจนทำให้แอมโมเนียออกซิไดซ์เพื่อไนเตรตเพื่อสร้างพลังงาน) นอกจากนี้ยังค้นพบเส้นทางใหม่ของ N₂ การผลิตอย่างล้ำลึก ทะเล สิ่งแวดล้อม 

*** 

แหล่งที่มา:  

1. คราฟท์ บี., อัล et 2022. การผลิตออกซิเจนและไนโตรเจนโดยอาร์เคออนออกซิไดซ์แอมโมเนีย ศาสตร์. 6 ม.ค. 2022 ปีที่ 375 ปัญหา 6576 หน้า 97-100 ดอย: https://doi.org/10.1126/science.abe6733 

2. Martens-Habbena W. และ Qin W. , 2022. ไนตริฟิเคชั่น Archaeal โดยไม่มีออกซิเจน ศาสตร์. 6 ม.ค. 2022 ปีที่ 375 ปัญหา 6576 หน้า 27-28 ดอย: https://doi.org/10.1126/science.abn0373 

***