Цветение водорослей ведёт химическую войну в наших океанах

от

Микроскопические водоросли в океане генерируют половину кислорода, которым мы дышим. Однако у побережья Южной Австралии эти же организмы выпустили токсичный «цвет», который привёл к закрытию пляжей, остановке устричных ферм и гибели тысяч морских обитателей.

Когда химия океана выходит из равновесия, водоросли могут превратиться из производителей кислорода в химических агрессоров — и ущерб может быть быстрым, масштабным и необратимым.

Микроводоросли — это не растения, но, как и растения, они получают энергию от солнца. Под воздействием солнечного света микроводоросли преобразуют $CO_2$ в сахара, аминокислоты и липиды, которые питают морских микробов, криль, рыбу и китов, формируя основу пищевой сети океана.

Хотя микроводоросли составляют менее 1% фотосинтетической биомассы Земли, они превращают столько же углерода, сколько все наземные растения вместе взятые, управляя молекулярным механизмом моря.

Сахара, аминокислоты, липиды и другие низкомолекулярные метаболиты вытекают из клеток водорослей или высвобождаются, когда они умирают, питая обширное микробное сообщество, которое перерабатывает и трансформирует их. Эта молекулярная торговля лежит в основе пищевой сети океана, питая всё: от бактерий и криля до сардин, дельфинов, китов и, в конечном счёте, нас.

Цветение водорослей — это естественное явление, и большинство из них безвредны, даже красивы. Но проблемы возникают, когда неправильные виды размножаются в неправильном количестве.

Из тысяч морских видов водорослей только несколько процентов способны образовывать вредные цветения. Karenia mikimotoi, водоросль, которая в настоящее время доминирует в цветении у побережья Южной Австралии, производит химические коктейли, содержащие перекись водорода и гемолизины, которые повреждают жабры рыб и клетки крови.

Хотя они могут быть смертельны для морских обитателей, у людей они вызывают лишь лёгкие эффекты. В то время как K. mikimotoi в основном вредит морской жизни, другие водоросли производят токсины, более опасные для человека.

Родственная Karenia brevis ответственна за «красные приливы» во Флориде и выделяет сложные молекулы, называемые бреветоксинами. Они накапливаются в моллюсках и могут вызывать нейротоксическое отравление при употреблении в пищу.

Даже нетоксичные водоросли могут подавлять прибрежные экосистемы за счёт своего объёма. По мере того как триллионы клеток водорослей размножаются, умирают и опускаются на дно, их разлагающиеся клетки лишают воду кислорода и блокируют солнечный свет, создавая удушающие «мёртвые зоны», которые поражают прибрежные экосистемы от дельты Миссисипи до устья Муррей в Южной Австралии.

Цветение у побережья Южной Австралии уже стало самым крупным зарегистрированным цветением водорослей в Австралии, охватив примерно 4500 км² (площадь в четыре раза больше Гонконга) и погубив десятки тысяч, возможно, миллионы рыб и беспозвоночных.

Что вызывает безудержное цветение? Часто это идеальный химический шторм. Обогащённый питательными веществами сток с ферм и из городов смывает азот и фосфор в море, подпитывая рост. Морские волны тепла, которые становятся более частыми из-за изменения климата, ускоряют метаболизм водорослей и удлиняют вегетационный период.

Однако вредные цветения водорослей не новы. Есть хроники эпохи самураев из Японии VIII века, описывающие моря, которые «превратились в кровь». Однако человеческая деятельность нарушила баланс, сделав вредные цветения более частыми, интенсивными и разрушительными.

Под микроскопом цветение водорослей выглядит как шумный базар, где микробы обмениваются молекулами для выживания. Водоросли, основные «производители», ведут свой бизнес на солнечном свете и углекислом газе, и выпускают излишки сахаров, аминокислот и других питательных веществ, которые поддерживают обширное сообщество бактериальных потребителей.

В свою очередь, бактерии поставляют трудно получаемые соединения, такие как витамины, которые нужны водорослям, но которые они не могут легко произвести сами. Но этот молекулярный рынок также привлекает оппортунистов и исполнителей. Некоторые бактерии выделяют бактерициды для уничтожения соперников, в то время как другие используют алгициды, убивающие клетки водорослей.

Одним из таких алгицидов является набор обманчиво простых соединений, вырабатываемых морскими бактериями, — квестиомицины. Они убивают виды Karenia и могут остановить цветение. Наша команда синтезировала квестиомицины в лаборатории, дав нам ещё одно оружие в борьбе с токсичными цветениями.

Уничтожение цветений в открытых океанах не так просто, как распыление алгицидов. Хотя эти тактики работают в прудах и на рыбных фермах, они терпят неудачу в океане, где волны разбавляют, а приливы рассеивают.

Предотвращение — лучший вариант: сокращение стока питательных веществ, восстановление водно-болотных угодий и сокращение выбросов углекислого газа для сдерживания морских волн тепла. Со временем природа восстановится, поскольку вирусы поразят, травоядные покормятся, а течения унесут цветение. Океан, устойчивый и древний, восстановится.

Наша исследовательская группа, работая с глобальными коллегами, составляет подробную карту молекулярной экономики морских микроорганизмов. Мы выясняем, какие питательные вещества и соединения вызывают цветение, какие природные химические вещества сдерживают его и как, внося тонкие изменения в их молекулярную структуру, мы можем превратить токсин в безопасный, эффективный алгицид.

Возможно, однажды мы сможем культивировать микробный контроль, который поможет укротить цветения в открытом море. Вредные цветения водорослей одновременно величественны и угрожают, доказывая, что самые маленькие химики на Земле могут изменить целые береговые линии. Расшифровав их химию, мы сможем узнать, когда отступить, и когда — и как — склонить чашу весов в пользу природы.

Предоставлено Университетом Мельбурна

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте

Оставьте комментарий