Omdat algemeen voorkomende ammoniak-oxiderende archaea (AOA) in het laboratorium veel sneller groeien wanneer bepaalde organische zuren aan zeewater worden toegevoegd, ging de wetenschappelijke literatuur er tot nu toe vanuit dat deze zuren de koolstofbron vormden voor de opbouw van de cellen van deze micro-organismen. Echter, een groep van Koreaanse en NIOZ microbiologen toont nu aan dat dit niet waar is; de AOA gebruiken opgelost kooldioxide als koolstofbron. De zuren ontgiften het tijdens de verbranding van ammoniak gevormde waterstofperoxide. Deze resultaten zijn nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Oerbacteriën

Diepzee 'smoker' schoorstenen - Foto: NOAA / CC BY 2.0
Oerbacteriën (Archaea) komen onder meer voor bij diepzee ‘smoker’ schoorstenen – Foto: NOAA / CC BY 2.0

Archaea (oerbacteriën) behoren tot de meest voorkomende ééncellige organismen in de oceaan en zij spelen een belangrijke rol in de wereldwijde cyclus van stikstof. Zij wekken hun energie op door het verbranden van ammoniak, dat als afvalproduct ontstaat bij de afbraak van dood algenmateriaal. Een belangrijke vraag was tot nu toe hoe zij aan de koolstof voor hun celmateriaal komen; is dat via de vastlegging van opgelost CO2 (kooldioxide), net zoals algen die hierbij zonlicht als energiebron gebruiken, of door inbouw van organische verbindingen? Het idee dat ammoniak-oxiderende archaea (AOA) organische verbindingen gebruiken kwam voort uit kweekexperimenten waarbij toevoeging van een bepaald type van organische zuren zoals druivenzuur of oxaalazijnzuur, de groei van AOA stimuleren. Een derde mogelijkheid was dat ze kunnen schakelen tussen beide stofwisselingsroutes, wat vaak voorkomt bij micro-organismen.

Archaea eten CO2, geen zuur

Een team van Koreaanse onderzoekers van de Chungbuk universiteit en onderzoekers van het NIOZ Koninklijke Nederlands Instituut van Onderzoek der Zee onderzocht de rol van deze organische zuren, door toevoeging van specifieke, met 13C koolstofisotoop gelabelde zuurmoleculen aan een nieuwe uit zeewater geïsoleerde stam van AOA. Het team toonde aan dat dit niet leidde tot de inbouw van de 13C isotoop in het celmateriaal van hun experimentele stam, maar dat de koolstof hiervan volledig afkomstig was van (niet-gelabeld) opgelost CO2. Hiermee is ondubbelzinnig aangetoond wat de NIOZ onderzoekers al veel langer vermoedden: deze AOA gebruiken kooldioxide als koolstofbron voor de opbouw van hun cellen in het diepe water van de oceanen.

Rol van organische zuren

Maar waarom doen deze organische zuren het in het laboratorium dan zo goed? Bij de verbranding van ammoniak wordt ook waterstofperoxide gevormd. Deze zeer reactieve verbinding –vooral bekend als bleek- en ontsmettingsmiddel- vergiftigt de cel als de concentratie ervan te hoog oploopt. De organische zuren neutraliseren echter het waterstofperoxide door het om te zetten in water. Veel bacteriën hebben een ingebouwde enzymatisch mechanisme om waterstofperoxide te neutraliseren, maar genetisch onderzoek aan AOA liet zien dat zij dit enzym (catalase) niet zelf kunnen aanmaken. Dit betekent dat zij in de natuur en bij afwezigheid van deze zuren afhankelijk zijn van andere bacteriën die waterstofperoxide wel kunnen neutraliseren.