Der östliche tropische Nordpazifik (ETNP) ist eine große, beständige und sich intensivierende Sauerstoffminimumzone (OMZ), die fast die Hälfte der Gesamtfläche der globalen OMZs ausmacht. Im Kern der OMZ (ca. 350–700 m Tiefe) liegt der Gehalt an gelöstem Sauerstoff typischerweise nahe oder unter der analytischen Nachweisgrenze moderner Sensoren (ca. 10 nM). Steile Sauerstoffgradienten oberhalb und unterhalb des Kerns der OMZ führen zu einer vertikalen Strukturierung mikrobieller Gemeinschaften, die auch zwischen partikelassoziierten (PA) und frei lebenden (FL) Größenfraktionen variieren. Hier verwenden wir 16S-Amplikonsequenzierung (iTags), um die Diversität und Verteilung prokaryotischer Populationen zwischen FL- und PA-Größenfraktionen und innerhalb des Bereichs der umgebenden Redoxbedingungen zu analysieren. Die hydrographischen Bedingungen in unserem Untersuchungsgebiet unterschieden sich von den zuvor im ETNP und anderen OMZs, wie z. B. dem ETSP, berichteten Bedingungen. Spuren von Sauerstoffkonzentrationen (∼0,35 μM) waren im gesamten OMZ-Kern an unserem Probenahmeort vorhanden. Folglich fehlten die für OMZ-Kerne typischen Nitritansammlungen sowie Sequenzen für Anammox-Bakterien (Gattung Brocadiales).KandidatScalindua), die häufig über oxisch-anoxische Grenzen in anderen Systemen gefunden werden. Allerdings ammoniakoxidierende Bakterien (AOB) und Archaeen (AOA) Verteilungen und maximale autotrophe Kohlenstoffassimilationsraten (1,4 μM C d–1) fiel mit einem ausgeprägten Ammoniumkonzentrationsmaximum nahe der Spitze des OMZ-Kerns zusammen. Darüber hinaus sind Mitglieder der GattungNitrospina, war eine dominante Gruppe nitritoxidierender Bakterien (NOB) vorhanden, was darauf schließen lässt, dass sowohl Ammoniak- als auch Nitritoxidation bei Spuren von Sauerstoffkonzentrationen auftreten. Eine Analyse des Ähnlichkeitstests (ANOSIM) und eine nichtmetrische dimensionale Skalierung (nMDS) ergaben, dass sich die phylogenetischen Darstellungen von Bakterien und Archaeen zwischen den Größenfraktionen signifikant unterschieden. Basierend auf ANOSIM- und iTag-Profilen wurde die Zusammensetzung der PA-Ansammlungen weniger vom vorherrschenden tiefenabhängigen biogeochemischen Regime beeinflusst als die FL-Fraktion. Basierend auf dem Vorhandensein von AOA, NOB und Spuren von Sauerstoff im OMZ-Kern nehmen wir an, dass die Nitrifikation ein aktiver Prozess im Stickstoffkreislauf dieser Region der ETNP OMZ ist.
Einführung
Als Reaktion auf den fortschreitenden Klimawandel und lokale menschliche Aktivitäten sind die Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff im offenen Ozean und in küstennahen Meeressystemen zurückgegangen (Breitburg et al., 2018). Der geschätzte Sauerstoffverlust des offenen Ozeans in den letzten 60 Jahren liegt bei über 2 % (Schmidtko et al., 2017), was zu Bedenken hinsichtlich der Folgen einer Ausdehnung der sauerstoffarmen Zone führt (Paulmier und Ruiz-Pino, 2009). Offene ozeanische Sauerstoffzonen entstehen, wenn eine hohe Primärproduktion an der Oberfläche den biologischen Sauerstoffbedarf in unterirdischen Gewässern antreibt, der die physikalische Belüftung in der Tiefe übersteigt. Die Sauerstoffkonzentrationen in den Wassersäulen von Sauerstoffzonen können oberhalb und unterhalb des sauerstoffarmen Kerns steile Gradienten (Oxykline) aufweisen, wodurch hypoxische (typischerweise zwischen 2 und ∼90 μM), suboxische (<2 μM) und anoxische (unter der Nachweisgrenze (∼10 nM)) Schichten unterschiedlicher Größe entstehen (Bertagnolli und Stewart, 2018). Sauerstoffgradienten führen zu einer vertikalen Strukturierung von Metazoen- und Mikrobengemeinschaften sowie zu biogeochemischen Prozessen entlang dieser ausgedehnten Oxykline (Belmar et al., 2011).
Einige der höchsten Stickstoffverlustraten wurden in den OMZs des östlichen tropischen Nordpazifiks (ETNP) und des Südpazifiks (ETSP) verzeichnet (Callbeck et al., 2017;Penn et al., 2019), das dauerhaft geschichtete Cariaco-Becken (Montes et al., 2013), das Arabische Meer (Ward et al., 2009) und die OMZ des Benguela-Auftriebssystems (Kuypers et al., 2005). In diesen Systemen führen die mikrobiellen Prozesse der kanonischen Denitrifikation (heterotrophe Reduktion von Nitrat zu Stickstoffzwischenprodukten und oft zu Distickstoffgas) und Anammox (anaerobe Ammoniumoxidation) zu Stickstoffverlusten, die möglicherweise die Primärproduktion einschränken können (Ward et al., 2007). Darüber hinaus wird geschätzt, dass die ozeanischen Lachgasemissionen (ein starkes Treibhausgas) aus der mikrobiellen Denitrifikation in den ozeanischen Meereszonen mindestens ein Drittel der weltweiten natürlichen Lachgasemissionen ausmachen (Naqvi et al., 2010).
Die ETNP OMZ ist eine große, anhaltende und sich intensivierende Sauerstoffminimumzone, die fast die Hälfte der Gesamtfläche der globalen OMZs ausmacht und zwischen 0–25°N und 75–180°W liegt (Paulmier und Ruiz-Pino, 2009;Schmidtko et al., 2017). Aufgrund ihrer ökologischen Bedeutung wurden die Biogeochemie und mikrobielle Vielfalt verschiedener ETNP-OMZ-Regionen intensiv untersucht (z. B.Beman und Carolan, 2013;Duret et al., 2015;Ganesh et al., 2015;Chronopoulou et al., 2017;Pack et al., 2015;Peng et al., 2015). Frühere Studien berichten, dass der gelöste Sauerstoff in diesem OMZ-Kern (∼250–750 m Tiefe) typischerweise nahe oder unterhalb der analytischen Nachweisgrenze (∼10 nM) liegt (Tiano et al., 2014;Garcia-Robledo et al., 2017). Entlang des nördlichen Randes der OMZ des ETNP (Standort des Untersuchungsgebiets ∼22°N) können die Sauerstoffkonzentrationen in 500 m Höhe jedoch Jahresdurchschnittswerte zwischen 10 und 20 μM erreichen (Paulmier und Ruiz-Pino, 2009; Daten aus dem World Ocean Atlas 2013)1. Während der hier beschriebenen Feldkampagne haben wir Sauerstoff im OMZ-Kern in ausreichender Konzentration (0,35 μM) gemessen, um aerobe mikrobielle Prozesse wie die Ammonium- und Nitritoxidation zu unterstützen und wichtige anaerobe mikrobielle Prozesse teilweise zu hemmen. Aerobe mikrobielle Prozesse wurden bereits zuvor in scheinbar suboxischen oder anoxischen Schichten der ETNP OMZ nachgewiesen (Peng et al., 2015;Garcia-Robledo et al., 2017;Penn et al., 2019). Die Faktoren, die die Verteilung und Aktivität bestimmter funktioneller Gruppen von Mikroorganismen in OMZs steuern, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden.
Das Vorhandensein von Nitrifikanten in einer OMZ, in der kein Sauerstoff nachweisbar ist, kann durch kürzliche Verschiebungen der vertikalen Position der Oxykline aufgrund episodischer vertikaler Sauerstoffbelüftung erklärt werden, die zu kurzzeitigen Spuren von Sauerstoff in den Kernen der OMZ führen kann (Müller-Karger et al., 2001;Ulloa et al., 2012;Garcia-Robledo et al., 2017). Solche vorübergehenden Bedingungen können von aeroben oder mikroaerophilen Populationen, einschließlich Nitrifikanten, ausgenutzt werden. Darüber hinaus können sinkende Partikel aus dem Epipelagium (aggregierte Zellen, Kotpellets und komplexe organische Materialien) Spuren von Sauerstoff enthalten (Ganesh et al., 2014). Dadurch können Sauerstoff und aerobe Mikroben in ansonsten sauerstofffreie Gewässer transportiert werden, wodurch vorübergehend aerober Stoffwechsel in Verbindung mit Partikeln möglich wird. Partikel gelten als Hotspots mikrobieller biogeochemischer Kreisläufe (Simon et al., 2002;Ganesh et al., 2014) und kann kontrastierende anaerobe oder aerobe mikrobielle Prozesse unterstützen, die im freilebenden Zustand nicht beobachtet werden (Alldredge und Cohen, 1987;Wright et al., 2012;Suter et al., 2018).
In der vorliegenden Studie untersuchen wir prokaryotische Gemeinschaften am nördlichen Rand der OMZ des ETNP und Umweltfaktoren, die wahrscheinlich ihre vertikale Verteilung beeinflussen. Dazu verwenden wir 16S-Amplikonsequenzierung (iTags) in Verbindung mit multivariater Statistik. Wir untersuchten zwei Größenfraktionen: die freilebende (0,2–2,7 μm) Fraktion und die partikelassoziierte Fraktion (>2,7 μm, die sowohl Partikel als auch Protistanzellen erfasst) in mehreren Tiefen entlang der Oxykline, die unterschiedlichen Redoxbedingungen entsprechen.
Wir bieten Sensoren für gelösten Sauerstoff mit verschiedenen Parametern an, sodass die Molekülkonzentration in Echtzeit überwacht werden kann. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage.
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Beitragszeit: 05.07.2024