微生物群落如何塑造海洋生态

由苏黎世联邦理工学院和麻省理工学院领导的一项研究合作将从总部位于纽约的西蒙斯基金会获得1500万美元的额外资金，用于研究海洋细菌和微藻的行为。该研究将侧重于影响海洋碳循环的微生物群落。

没有微生物，就不会存在更高等的生命形式。细菌和单细胞藻类形成驱动基本生态过程的动态群落：它们构建生物质、分解死有机物并回收生命元素。“尽管它们非常重要，但人们对微生物群落的性质知之甚少，”环境工程研究所的ETH教授RomanStocker说。

自2017年5月以来，斯托克和他的团队与来自不同大学的九个研究小组合作，研究海洋微生物生态系统的基本功能原理。微生物生态系统原理(PriME)项目由苏黎世联邦理工学院和麻省理工学院(MIT)联合领导，并得到美国西蒙斯基金会的财政支持(参见新闻稿：关注微生物群落)。Stocker是PriME的联席总监，并于六年前共同创立了该项目。

PriME最近进入第二阶段，西蒙斯基金会再次支持该联盟，提供1500万美元，用于在未来五年内分析海洋细菌和单细胞藻类在微观尺度上的相互作用。苏黎世联邦理工学院的三个研究小组将再次加入：MartinAckermann、UweSauer和RomanStocker教授将从纽约基金会获得总计420万美元的资金。总体目标保持不变——了解海洋微生物如何形成群落以及这些群落如何发挥作用。

新研究工具的工程知识

微生物群落的动态取决于其成员的行为，而这些成员通常绝不是被动的。“许多微生物会游泳。他们积极感知环境并与之互动，他们的动作是经过深思熟虑的，”Stocker解释道。

然而，使这些细胞的相互作用可见是一项挑战。一滴海水中充满了超过一百万个微生物。“细菌相互作用的规模是如此之小，以至于我们根本无法用通常的海洋学方法来研究它们，”这位环境工程师解释道。在他位于土木、环境和地理工程系的实验室中，他开发了微生态学方法来弥补这一方法上的差距。

Stocker是环境微流体领域的先驱。他的团队使用化学工程师通常用来处理微量液体的微流体技术，并将它们与现代显微镜和成像相结合来研究微生态系统。

个体微生物的行为测试

例如，环境微流体可以实现单个微生物行为的高分辨率可视化和同时量化代谢过程。这开辟了新的视野。“我们不仅可以跟踪单个细胞如何移动和做出决定，还可以检查它们为什么这样做，”环境工程师解释道。

一个例子是ETH研究人员专门为开阔海洋开发的微生物化学偏好测试。“原位趋化性测定”(ISCA)由一个信用卡大小的塑料板组成，塑料板内部有小室，这些小室通过精细通道与外界相连——一种微型龙虾陷阱。喜欢陷阱中引诱剂“气味”的细菌会顺着小径游进去。

细菌游向或远离浓度更高的物质的能力称为趋化性。直到最近，这种行为才在实验室测试中被观察到。

海洋微生物以化学趋化方式寻找食物

借助ISCA微流控芯片，Stocker的团队和他们的澳大利亚同事首次能够研究海洋细菌如何在海洋中寻找食物。

在去年4月发表在《自然》杂志上的一项备受赞誉的研究中，研究人员能够证明，悉尼沿海水域中的多种细菌物种实际上利用趋化性来追踪浮游植物——从水中吸收CO2并通过光合作用产生有机物质的微藻类.

一些合成物质被藻类释放到海水中，形成细菌最喜欢的食物。在原本营养不良的环境中，它们会嗅出食物并有目的地导航到这些释放食物分子的微型热点。

几十年来，人们一直怀疑野生细菌是通过趋化作用找到食物的，但这从未在开阔的海洋中得到证实。这些发现具有生态相关性;当移动细菌有目的地寻找食物时，它们的成功率会显着增加。这也使得稀有微生物大量聚集在食物来源周围。

当细菌以合成产物为食时，许多细菌种类充斥在单个活的浮游植物细胞周围。这是海洋中微生物最重要的相互作用之一——该微生物群落的集体代谢利用有机物并回收CO2，​​从而推动海洋碳循环。

海洋雪的分解减缓了碳泵

浮游植物也是另一个重要相互作用的主角，它们以海雪的形式落下。这种现象源于数十亿单细胞藻类，它们生长在光线充足的海洋上层，然后死亡并以有机颗粒的形式沉入海底。

这个“生物碳泵”不断地将结合的碳输送到深处。然而，逆过程会减慢碳的流动。当雪粒下沉时，它们被无数细菌定殖，这些细菌分解了大部分颗粒的有机物质。

“即使只有一小部分碳到达海底并被储存起来，生物碳泵仍然会导致海洋从大气中吸收大量的CO2，​​”Stocker解释说。

他的团队仔细研究了这艘深海货物上的微生物群落，发现细菌分解沉没颗粒的速度比之前根据实验室在无水流下进行的测试假设的速度快十倍。

高分辨率观察这些颗粒周围的微尺度动力学揭示了原因：下沉引起的流动不断冲走分解的副产物，否则会使细菌酶的工作更加困难。

这减少了到达海底的碳量。基于碳流的模型计算，研究人员估计，增加的颗粒分解会使碳泵的理论传输效率降低一半，这与海洋中实际碳传输的宏观测量相关。

关注关键生态过程

在过去的五年里，PriME联盟发表了60多篇文章——其中大部分阐述了微生物如何寻找和利用食物。在后续项目中，合作伙伴现在希望更密切地关注围绕浮游植物和海洋雪粒的两个具有重要生态意义的微生态系统。

具体来说，他们的目标是对细菌与单细胞藻类之间以及细菌与海雪之间的相互作用进行更深入的研究。

Stocker将与苏黎世联邦理工学院的MartinAckermann和UweSauer密切合作。Ackermann是Eawag的主任，并领导苏黎世联邦理工学院、Eawag和EPFL的微生物生态学小组。他是细菌个性方面的专家，让团队深入了解单个细菌细胞之间的相互作用如何影响群落。

绍尔是系统生物学家和细菌代谢过程专家。他贡献了最先进的方法来高分辨率测量社区中微生物交换的物质。研究人员希望共同弥合单个细胞行为与海洋生态作用之间的差距。这包括微生物群落对海洋中碳流的影响。

“例如，为了更好地评估气候变化对关键生态过程的影响，了解微生物群落中的许多物种如何相互作用至关重要，”Stocker解释说。研究最微小的生命形式可以帮助我们更好地了解整个世界。