Археи, окисляющие аммиак (AOA), — одни из самых распространённых микроорганизмов в океане, они играют ключевую роль в круговороте азота. Однако, несмотря на их повсеместное распространение, учёные долго не могли понять, как эти микробы могут процветать в бедных питательными веществами водах открытого океана, где их основной источник азота и энергии — аммиак — часто встречается в исчезающе малом количестве.
Новое исследование, проведённое под руководством учёных из Института морской микробиологии Общества Макса Планка в Бремене, Германия, раскрывает ключевую часть этой загадки: некоторые AOA полагаются на мочевину — распространённое органическое соединение азота — в дополнение к аммиаку в качестве источника энергии и азота.
Исследовательская группа изучила две доминирующие группы AOA в океанах:
Nitrosopumilus*, обычно встречающийся в богатых питательными веществами прибрежных водах;
Nitrosopelagicus*, который преобладает в открытом океане.
Исследование сочетает данные экспедиций в три очень разных региона океана: Мексиканский залив, где много аммиака, воды открытого океана Ангольского круговорота, где аммиака почти нет, и Чёрное море, которое имеет высокие концентрации аммиака в более глубоких водах и почти полное отсутствие аммиака в мелководных частях.
Их результаты, [опубликованные](https://www.nature.com/articles/s41467-025-67048-1) в Nature Communications, показывают, почему разные группы AOA процветают в этих различных морских средах и как эти различия определяют их глобальное распространение.
Исследование показывает, что прибрежный род Nitrosopumilus предпочитает аммиак и использует мочевину только тогда, когда аммиака не хватает. «Nitrosopumilus быстро растёт, когда аммиак доступен. Таким образом, он хорошо приспособлен к жизни в прибрежных водах с высоким содержанием аммиака», — говорит первый автор Йёрдис Штюренберг.
Род открытого океана Nitrosopelagicus ведёт себя совсем иначе. Он использует как аммиак, так и мочевину одинаково хорошо и продолжает использовать мочевину, даже когда аммиака в избытке. Эти археи, похоже, идеально адаптированы к жизни в бедных питательными веществами водах. «Клетки Nitrosopelagicus имеют больше возможностей, — говорит Катарина Кицингер, соавтор исследования. — Если присутствуют и аммиак, и мочевина, они могут даже удвоить темпы своего роста, используя оба вещества одновременно».
Большинство исследований сосредоточено на нитрификации, основанной на аммиаке, но это исследование показывает, что мочевина и, возможно, другие органические соединения азота могут играть гораздо более значительную роль в поддержании продуктивности океана, чем считалось ранее. «Мы можем недооценивать скорость нитрификации в огромном, бедном питательными веществами океане», — говорит соавтор Ханна Марчант.
Чтобы определить, какие AOA использовали какие источники азота, исследователям нужно было отличить Nitrosopumilus и Nitrosopelagicus, что существующие молекулярные инструменты не могли сделать надёжно. Поэтому команде нужно было разработать новые, высокоспецифичные зонды, чтобы визуально различать две группы под микроскопом. С помощью этих зондов исследователи смогли отследить, как каждая группа [ассимилировала азот](https://phys.org/news/2024-07-window-environmental-phenomena-imaging-technology.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal) на уровне отдельных клеток, используя NanoSIMS-визуализацию.
«Новые зонды позволили нам увидеть, кто что делал в смешанных сообществах, подобных сообществам в Чёрном море», — говорит Штюренберг. «В сочетании с анализом NanoSIMS мы показали, что Nitrosopumilus рос в основном на аммиаке, в то время как Nitrosopelagicus охотно использовал как аммиак, так и мочевину, и продолжал использовать мочевину, даже когда аммиака было много».
AOA, в частности Nitrosopelagicus, являются одними из самых распространённых микроорганизмов в океанах. Их способность использовать мочевину и другие органические источники азота может существенно повлиять на доступность питательных веществ в море, первичную продуктивность в открытом океане и глобальный углеродный цикл.
«Понимание того, что питает эти микроорганизмы, имеет решающее значение», — говорит Марсел Куйперс, старший автор статьи. «Они играют важную роль в круговороте азота, и их активность помогает регулировать доступность питательных веществ в океане и глобальный углеродный бюджет».
Предоставлено [Обществом Макса Планка](https://phys.org/partners/max-planck-society/)