| Περίληψη |
Οι μεθανιοϋδρίτες και οι υποθαλάσσιες πηγές μεθανίου έχουν προσελκύσει την προσοχή των επιστημόνων τα τελευταία χρόνια λόγω του οικολογικού, οικονομικού και εξελικτικού τους ενδιαφέροντος. Διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον κύκλο του άνθρακα, αποτελούν δυνητικές πηγές ενέργειας, ενώ παράλληλα μετέχουν στη σταθεροποίηση των ηπειρωτικών περιθωρίων. Λειτουργούν ως πηγή ενέργειας για χημειοσυνθετικού τρόπου ζωής κοινότητες, καθώς μεθάνιο και σουλφίδιο, που υπάρχουν σε υψηλές συγκεντρώσεις, τροφοδοτούν μικροοργανισμούς και βενθικούς οργανισμούς που φέρουν συμβιώτες. Η Αναερόβια Οξίδωση του Μεθανίου (ΑΟΜ) είναι σημαντική γεωχημική διεργασία σε αυτά τα περιβάλλοντα ωστόσο δεν έχει διερευνηθεί πλήρως μέχρι σήμερα. Πιστεύεται ότι διενεργείται σε σύζευξη με τη θειική αναγωγή, μέσω μίας μικροοργανισμικής συντροφίας μεθανιότροφων Αρχαίων (ANME) με θεικοαναγωγικά Βακτήρια.
Η ΑΟΜ λειτουργεί ως ένα ιδιαιτέρως αποδοτικό φίλτρο, καθώς δεσμεύει περισσότερο από το 80% του μεθανίου που παράγεται στα υποθαλάσσια ιζήματα. Το μεθάνιο αυτό, αν απελευθερωνόταν στην ατμόσφαιρα, θα ενίσχυε σημαντικά το φαινόμενο του θερμοκηπίου και τις σχετιζόμενες με αυτό πλανητικές αλλαγές. Άλλη οδός κατανάλωσης του μεθανίου είναι η αερόβια οξίδωση του μεθανίου (ΜΟx) που λαμβάνει χώρα σε οξυγώμενα στρώματα ιζήματος ή νερού. Ενώ μεθάνιο μπορεί να παραχθεί μέσω της μικροοργανισμικής Μεθανιογένεσης. Μεθανιοϋδρίτες και ψυχρές αναβλύσεις έχουν βρεθεί στα υποθαλάσσια ηφαίστεια ιλύος του Αναξίμανδρου στην Ανατολική Μεσόγειο.
Η δομή των προκαρυωτικών κοινοτήτων στα θαλάσσια ιζήματα καθορίζεται από τις μεταβολές των φυσικοχημικών και γεωχημικών παραγόντων κατά μήκος του ιζήματος. Οι μεταβολές στις βιοκοινότητες κατά μήκος δύο πυρήνων ιζήματος, μία από το υποθαλάσιο ηφαίστειο ιλύος Amsterdam και μία από το υποθαλάσσιο ηφαίστειο ιλύος Kazan εξετάστηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής με στόχο τη διερεύνηση, σε υψηλή κατακόρυφη ανάλυση, της βιοποικιλότητας και οικοφυσιολογίας των μικροοργανισμών που εμπλέκονται στο σχηματισμό (μεθανιογένεση) και δέσμευση (οξίδωση) του μεθανίου..
Δείγματα ιζήματος συλλέχθηκαν, κάθε 5 cm από την επιφάνεια ως τα 30 cm, πυρήνων ιζήματος και ταυτοποιήθηκαν χαρακτηριστικοί βιοδείκτες των Αρχαίων που εμπλέκονται στην ΑΟΜ καθώς και των Βακτηρίων που δρουν σε συντροφία με τα Αρχαία ανάγοντας θειικά. Ανιχνεύθηκαν υψηλές συγκεντρώσεις sn-2,3-δι-O-ισοπρενοειδών γλυκερολαιθέρων (κυρίως αρχαιόλης και sn-2-υδροξυαρχαιόλης). Οι τιμές που μετρήθηκαν ήταν πολύ υψηλότερες (3 ως 12 φορές) για τα ιζήματα του Amsterdam σε σχέση με το Kazan. Στο υποθαλάσσιο ηφαίστειο ιλύος Amsterdam, το μέγιστο στην αφθονία των βιοδεικτών για τα Αρχαία παρατηρήθηκε στον ορίζοντα των 15 – 20 cmbsf (cm below sea floor, cm κάτω από την επιφάνεια του πυθμένα) και ο ορίζοντας αυτός συμπίπτει με τη ζώνη μετάβασης μεθανίου – θειικών. Στον πυρήνα από το υποθαλάσσιο ηφαίστειο Kazan δύο τοπικά μέγιστα παρατηρήθηκαν στους ορίζοντες 5-10 και 20-25 cmbsf, που αντιστοιχούν στην πρωταρχική ζώνη μετάβασης μεθανίου – θειικών στον ορίζοντα 7 με 13 cmbsf και σε μία δευτερεύουσα ζώνη μετάβασης στα 20 με 25 cmbsf.
Χαρακτηριστικά λιπαρά οξέα, όπως τα C16:1ω7c και C18:1ω7c, έδειξαν κυριαρχία των θειιοξιδωτικών Βακτηρίων (SOx) στο επιφανειακό μισό των πυρήνων και για τα δύο ηφαίστεια. Ενδεικτικά λιπαρά οξέα για Βακτήρια που ανάγουν θειικά σε σύζευξη με την ΑΟΜ, όπως τα C16:1ω5c, cyC17:0ω5,6, aiC15 και iC15 ανιχνεύθηκαν επίσης σε σημαντικές ποσότητες.
Η κατακόρυφη κατανομή των κοινοτήτων Αρχαίων και Βακτηρίων μελετήθηκε λεπτομερέστερα με την κατασκευή βιβλιοθηκών κλώνων του 16S rRNA γονιδίου. Η πλειονότητα των φυλοτύπων των Αρχαίων που βρέθηκαν και στα δύο ηφαίστεια ιλύος ανήκουν στα Euryarchaeota. Στο ηφαίστειο ιλύος Amsterdam, φυλότυποι που ανήκουν στα ΑΝΜΕ-1 φαίνεται να συνεπικρατούν με φυλοτύπους των ΑΝΜΕ-2 σε όλες τις βιβλιοθήκες κλώνων που κατασκευάστηκαν, εκτός από τον ορίζοντα των 30 cmbsf, όπου κυριαρχούν τα ΑΝΜΕ-3. Στις βιβλιοθήκες των Βακτηρίων επικράτησαν τα Proteobacteria (κυρίως τα υπόφυλα των γ-, δ- and ε- Proteobacteria) στους ορίζοντες ιζήματος 0 και 5 cmbsf. Φυλότυποι σχετιζόμενοι με το φύλο των Chloroflexi βρέθηκαν σε όλους τους ορίζοντες ιζήματος και επικράτησαν στα 10 cmbsf. Φυλότυποι που σχετίζονται με το υποψήφιο φύλο των JS1 ήταν επίσης παρόντες σε όλους τους ορίζοντες ιζήματος και κυριάρχησαν στα 15 cmbsf. Τα δ-Proteobacteria είχαν σημαντική αντιπροσώπευση σε όλες τις βιβλιοθήκες κλώνων και επέδειξαν τη μεγαλύτερη σχετική αφθονία στα 25 cmbsf. Γενικά, οι περισσότεροι από τους φυλοτύπους που ανιχνεύθηκαν σχετίστηκαν με φυλοτύπους από περιβάλλοντα πλούσια σε μεθάνιο, όπως ψυχρές αναβλύσεις και ιζήματα μεθανιούδριτών. Ανήκουν κυρίως σε πιθανούς θεεικοαναγωγικούς και θειοοξιδωτικούς οργανισμούς.
Στο ηφαίστειο ιλύος Kazan η πλειονότητα των φυλοτύπων των Αρχαίων σχετίζονται με μη καλλιεργήσιμα μέλη των ΑΝΜΕ-2 από περιβάλλοντα όπου διενεργείται ΑΟΜ. Ανιχνεύθηκαν επίσης ομάδες των ΑΝΜΕ-1 και ΑΝΜΕ-3. Όσον αφορά τις βιβλιοθήκες κλώνων των Βακτηρίων, τα Proteobacteria ήταν το πιο άφθονο και ποικίλο φύλο, με τα γ-Proteobacteria να κυριαρχούν στον επιφανειακό ορίζοντα. Τα δ-Proteobacteria περιλάμβαναν πολλούς από τους γνωστούς θειικοαναγωγικούς μικροοργανισμούς που λειτουργούν ως σύντροφοι των ΑΝΜΕ. Οι υπόλοιποι από τους φυλότυπους των Βακτηρίων ανήκουν σε 15 φύλα, με καλλιεργημένους ή όχι αντιπροσώπους και τρεις ομάδες μη σχετιζόμενες με γνωστά φύλα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι φυλότυποι που βρέθηκαν αντιπροσωπεύουν μικροοργανισμούς από αντίστοιχα περιβάλλοντα.
Η ποικιλότητα υπολογίστηκε με τη χρήση του δείκτη ποικιλότητας Shannon-Wiener (H) και το δείκτη ισοκατανομής Pielou (J). Ο δείκτης Shannon στον ίδιο ορίζοντα ιζήματος ήταν μικρότερος για τις βιοκοινότητες των Αρχαίων σε σχέση με αυτές των Βακτηρίων, αλλά δεν παρουσιάζουν το ίδιο πρότυπο μεταβολής με το βάθος για τις δύο επικράτειες. Η ανάλυση ομαδοποίησης, χρησιμοποιώντας το δείκτη Morisita για την κατασκευή μήτρας ομοιότητας, έδειξε ότι υπάρχουν περισσότερες ομοιότητες μεταξύ των βιοκοινοτήτων του ίδιου ηφαιστείου ιλύος. Ο βαθμός ομοιότητας των κοινοτήτων των Βακτηρίων, με εξαίρεση τους ορίζοντες 15 και 20 cmbsf και για τα δύο ηφαίστεια ιλύος, ήταν χαμηλός στο επίπεδο του φυλοτύπου, υποδεικνύοντας μικρή επικάλυψη μεταξύ των Βακτηριακών κοινοτήτων των διαφορετικών οριζόντων.
Η παρουσία και η λειτουργική ποικιλότητα των Αρχαίων που εμπλέκονται στο μεταβολισμό του μεθανίου (μεθανιότροφα και μεθανιογόνα Αρχαία) αναλύθηκε μέσω της ανίχνευσης και φυλογενετικής ανάλυσης του γονιδίου mcrA. Το γονίδιο mcrA κωδικοποιεί την υπομονάδα α της αναγωγάσης του μεθυλοσυνενζύμου Α, ενζύμου κλειδί τόσο για τη μεθανιογένεση όσο και για την αναερόβια οξίδωση του μεθανίου.
Το γονίδιο mcrA ανιχνεύθηκε σε όλους τους ορίζοντες ιζήματος της θέσης του ηφαιστείου ιλύος Amsterdam και σε όλους, εκτός του επιφανειακού ορίζοντα ιζήματος, του Kazan. Πιθανοί παραγωγοί μεθανίου που σχετίζονται φυλογενετικά με το Methanogenium organophilum ανιχνεύθηκαν μόνο στο βαθύτερο ορίζοντα (30 cmbsf) και για τα δύο ηφαίστεια ιλύος. Οι υπόλοιποι φυλότυποι που βρέθηκαν ανήκουν στις φυλογενετικές ομάδες mcr a,b, mcr c, mcr e and mcr f. Γενικά, τα αποτελέσματα της ανάλυσης του γονιδίου mcrA είναι σε συμφωνία με τη φυλογενετική ανάλυση του 16S rRNA γονιδίου για το ηφαίστειο ιλύος Kazan. Στην περίπτωση του Amsterdam φαίνεται να υπάρχει αδυναμία στην ανίχνευση της ομάδας mcr a,b (που αντιστοιχεί στα ANME-1) για τους ορίζοντες ιζήματος 15 and 20 cmbsf.
Η ΑΟΜ είναι σημαντική βιογεωχημική διεργασία στην πλειονότητα πλούσιων σε μεθάνιο ιζημάτων, όπως οι ψυχρές αναβλύσεις, όπως φαίνεται σε όλα τα δεδομένα από τα περιβάλλοντα αυτά, από την κατανομή των γεωχημικών και ιζηματολογικών στοιχείων μέχρι την παρουσία των επίπαγων ανθρακικού άλατος και των πλούσιων (χημειοσυνθετικών) βενθικών βιοκοινοτήτων. Στις θέσεις ιζήματος που μελετήθηκαν για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας των ηφαιστείων ιλύος Amsterdam και Kazan όλες οι ενδείξεις, όπως οι κατανομές μεθανίου – θειικών, οι υψηλές συγκεντρώσεις λιπιδιακών βιοδεικτών, οι φυλότυποι που ανιχνεύθηκαν, υποδεικνύουν ότι η ΑΟΜ είναι πιθανά ενεργή διεργασία σε αυτά τα ιζήματα.
Διαφορές στο μέγεθος, τη συγκέντρωση και τη ροή του μεθανίου, τα ιζηματολογικά και γεωχημικά χαρακτηριστικά καθώς και το ιστορικό εκρήξεων μεταξύ των δύο ηφαιστείων ιλύος Amsterdam και Kazan (δύο ηφαιστείων που βρίσκονται στο ίδιο πεδίο ηφαιστείων και έχουν μικρή γεωγραφική απόσταση μεταξύ τους) είναι πιθανοί παράγοντες που έχουν ως αποτέλεσμα τη διαφοροποίηση των προκαρυωτικών κοινοτήτων σε αυτά. Επίσης, από την κατανομή των προτύπων βιοποικιλότητας και την ανάλυση ομαδοποίησης φαίνεται ότι για κάθε ένα από τα ηφαίστεια ιλύος η ηφαιστειακότητα (ιλύος) οδηγεί στη διαμόρφωση διαφορετικών βιοκοινοτήτων για κάθε επικράτεια.
Το αποτύπωμα των λιπιδιακών βιοδεικτών και οι φυλότυποι που ανιχνεύθηκαν έδειξαν, ωστόσο, ότι και για τα δύο ηφαίστεια παρόμοιες ομάδες μικροοργανισμών κυριάρχησαν. Τα Αρχαία που βρέθηκαν, στην πλειονότητά του σχετίστηκαν με τις ομάδες των ΑΝΜΕ και τα Βακτήρια με πιθανούς θειικοαναγωγικούς, θειοοξιδωτικούς αλλά και ετερότροφους μικροοργανισμούς.
|
Μοριακός και βιογεωχημικός χαρακτηρισμός των μικροοργανισμών που εμπλέκονται στην αναερόβια οξείδωση του μεθανίου και τη μεθανιογένεση σε ιζήματα μεθανιοϋδριτών της Ανατολικής Μεσογείου
