למרות שתפיסה מכוננת של אקולוגיה מציעה שהסביבה הפיזית קובעת היכן אורגניזמים יכולים לשרוד, מדענים מודרניים חשדו שיש יותר בסיפור כיצד נוצרות קהילות מיקרוביאליות באדמה.
במחקר חדש, חוקרים קבעו הן באמצעות ניתוח סטטיסטי והן בניסויים שה-pH בקרקע הוא מניע של הרכב הקהילה המיקרוביאלית – אך הצורך לטפל ברעילות המשתחררת במהלך מחזור החנקן מעצב בסופו של דבר את הקהילה המיקרוביאלית הסופית.
הסביבה הפיזית משפיעה על אופי האינטראקציות המיקרוביאליות, וזה משפיע על ההרכבה של הקהילה. אנשים בשטח הבינו ששני הדברים האלה חייבים להיות חשובים ברמה מסוימת, אבל לא היו הרבה הוכחות לכך. אנחנו מוסיפים קצת ספציפיות ומנגנונים לרעיון הזה".
קארנה גודה, מחבר מוביל משותף, עוזר פרופסור למיקרוביולוגיה, אוניברסיטת אוהיו סטייט
העבודה עוזרת להבהיר את היסודות המיקרוביאליים של מחזור החנקן העולמי ועשויה לספק דרך חדשה לחשוב על פליטות של תחמוצת החנקן, גז חממה חזק, אמר Gowda.
המחקר פורסם לאחרונה ב מיקרוביולוגיה של הטבע.
חיידקים שומרים על אדמה בריאה ויצרנית על ידי מיחזור חומרים מזינים, והם חשובים במיוחד להמרת חנקן לצורות שצמחים יכולים להשתמש בהן. גם אורגניזמים תת-קרקעיים החיים באותה סביבה קשורים זה בזה, טורפים זה את זה, משתתפים בחילופי כימיקלים ומספקים יתרונות קהילתיים.
לעבודה זו, Gowda ועמיתיו השתמשו במערך נתונים מאוסף עולמי של דגימות אדמה עליונה, ריצוף את הגנום של החיידקים הקיימים בדגימות וניתוח מאפיינים חשובים של הקרקע – כגון תכולת חנקן ופחמן ו-pH, מדד לחומציות הקרקע.
"רצינו להסתכל על מגמות נפוצות ושיתגלו ברחבי כדור הארץ על פני סביבות שונות מאוד", אמר גוודה.
עם מיליארדי חיידקים נוכחים בדגימת אדמה, החוקרים הסתמכו על המבנה הגנטי של קהילות מיקרוביאליות כדי לקבוע את התפקידים התפקודיים שלהן.
הצוות אפס את הגנים שזיהו אילו חיידקים היו מעורבים בדניטריפיקציה – המרת תרכובות חנקן מצורות זמינות ביולוגית לתחמוצת חנקן וגז דיניטרוגן המשתחרר באטמוספירה. ניתוח ביואינפורמטיקה הראה ש-pH הקרקע היה הגורם הסביבתי החשוב ביותר הקשור לשפע של אורגניזמים אלו.
כדי לבדוק את הממצא הסטטיסטי, החוקרים ערכו ניסויי העשרה במעבדה, והפעילו קהילה מיקרוביאלית טבעית בתנאי צמיחה שונים.
במהלך דניטריפיקציה, לאנזימים ספציפיים יש תפקידים בהמרה של חנקה לתרכובות שונות המכילות חנקן. אחת הצורות הללו, ניטריט, רעילה יותר באדמה חומצית (pH נמוך) מאשר בתנאים ניטרליים עם pH גבוה יותר.
הניסויים הראו כי זנים בעלי אנזימים בשם Nar, המקושרים ליצירת ניטריט רעיל, וזנים בעלי אנזימים בשם Nap, הקשורים לצריכת ניטריט, השתנו בהתאם לחומציות הקרקע.
"מצאנו יותר של Nar ב-pH נמוך ופחות של Nap, ולהיפך כשה-pH של הקרקע נע לכיוון ניטרלי", אמר גוודה. "אז אנחנו רואים שני סוגים שונים של אורגניזמים הנפוצים ב-pH חומצי לעומת נייטרלי, אבל אנחנו גם מגלים שזה בעצם לא מסביר מה קורה. לא רק הסביבה קובעת מי נמצא שם – זו למעשה הסביבה בתוספת אינטראקציות בין אורגניזמים נוספים קהילה.
"משמעות הדבר היא ש-pH משפיע על האינטראקציה בין אורגניזמים בקהילה בצורה פחות או יותר עקבית – זה תמיד קשור לרעילות של ניטריט. וזה מדגיש איך חיידקים שונים עובדים יחד כדי לשגשג ברמות pH משתנות בקרקע".
הממצא הזה היה חדשני וחשוב, אמר גודה. ידוע כי חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים מונעים על ידי רצון לשרוד, אך הם גם מסתמכים זה על זה כדי להישאר בטוחים – ולשיתוף פעולה יש השלכות על בריאות הסביבה, כך עולה מהמחקר.
"בעוד שהשפעות כושר אינדיבידואליות ממלאות בבירור תפקיד בהגדרת דפוסים בהקשרים רבים, סביר להניח שאינטראקציות חיוניות להסבר דפוסים במגוון הקשרים אחרים", כתבו המחברים.
הבנת האופן שבו אינטראקציות והסביבה משפיעים על פליטת תחמוצת החנקן עשויה לספק תובנות חדשות לגבי הפחתת גז החממה החזק הזה, אמר Gowda: חיידקים מנטרלים הם מקורות ושקעים מרכזיים של תחמוצת חנקן בקרקעות חקלאיות. בעוד שמחקרי עבר התמקדו בהתנהגותם של אורגניזמים פולטי תחמוצת החנקן הללו בתנאי pH שונים, בהתחשב באינטראקציות האקולוגיות שלהם עשויות להציע אסטרטגיות חדשות להורדת פליטות.
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, אוניברסיטת שיקגו, המכון הלאומי למדעי הרפואה הכללית, פרס פוסט-דוקטורט של קרן ג'יימס ס. מקדונל ופרס מלגת פאני וג'ון הרץ.
מחברים שותפים כוללים את Seppe Kuehn, Kyle Crocker, Kiseok Keith Lee, Milena Chakraverti-Wuerthwein ו-Zeqian Li מאוניברסיטת שיקגו; מיכאיל טיכונוב מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס; ומדהב מני מאוניברסיטת נורת'ווסטרן.
