Överraskande fynd av kabelbakterier i syrefri havsbotten

Det var från provtagningen av sediment i Koljö fjord på svenska västkusten som den spektakulära upptäckten gjordes: kabelbakterier en bra bit ner i havsbotten, där man absolut inte hade väntat sig att hitta dem.

Leder elektrisk ström

Kabelbakterier är en märklig typ av organism, som identifierades så sent som 2012. De bildar långa kedjor, som kan bli centimeterlånga – vilket är gigantiskt i bakterievärlden – och som har förmågan att leda elektroner från den ena ändan till den andra genom nickelrika proteinfibrer. På grund av denna förmåga får de stor påverkan på biokemin i sin omgivning.

Såsom de hittills har beskrivits lever de vertikalt utsträckta allra överst i havsbottnens sediment. Där "äter" de svavelväte (som de plockar upp elektroner ifrån) med den ände som ligger nederst, och andas syre (som de lämnar elektroner till) med den ände som ligger överst mot vattnet. Elektronerna skickas genom fibrerna längs den tunna bakteriekedjan upp genom leran, precis som ström i en kabel.

Alexis Fonseca, postdoktor vid Östersjöcentrum och Institutionen för ekologi, miljö och botanik, som forskar om bakterier och virus i kustvatten, var nyfiken på kabelbakterierna och ville undersöka om han kunde hitta några i de sedimentprover som hans kollegor tagit upp i Koljö fjord och på tre andra ställen i svenska och finska kustvatten. Proverna hade framför allt tagits för att studera metanätande bakterier, som är en helt annan typ av organismer. Men de så kallade sedimentkärnorna var upplockade, så möjligheten att göra flera undersökningar av dem fanns.

– Jag hade inga förväntningar, allra minst från Koljöfjorden, som precis som stora delar av Östersjön är känt för sitt instängda vatten och sina syrefria bottnar, men jag var nyfiken på vad vi skulle kunna hitta, säger Alexis Fonseca.

Överraskande fynd

När resultaten av analyserna kom var de inte bara oväntade – de var helt upp och ned! Det fanns inte bara gott om kabelbakterier i proven, de var dessutom som vanligast en bra bit ner i sedimenten, på 20-22 centimeters djup, där ingen hittat kabelbakterier förut.

– Jag tänkte först: har vi gjort ett misstag? berättar Alexis Fonseca.

Men nej, proverna hade hanterats rätt och övriga data från geokemiska och genetiska analyser stämde med det förväntade mönstret av ämnen och mikroorganismer.

Men hur kan kabelbakterierna överleva i helt syrefria bottensediment?

– Det finns en alternativ, lite sämre men ändå fungerande elektronmottagare för kabelbakterierna att andas med, och det är nitrat, förklarar Alexis Fonseca.

Fickor med lokalt producerad nitrat

De geokemiska undersökningarna av sedimentkärnorna visade att det fanns fickor rika på nitrat på samma djup där kabelbakterierna frodades. Men hur bildas nitratet där? Vanligtvis bildas nitrat genom nitrifikation av specialiserade bakterier, som omvandlar ammoniak till nitrit och sedan nitrat. Men även den processen kräver syre. Nitrat kan dock också bildas i syrefria eller syrefattiga miljöer via alternativa processer.

 Forskarna började titta på olika möjligheter. Kunde det vara syrerikt grundvatten som sipprade in i sedimenten? Nej, mätningar av salthalten uteslöt det. Kunde det vara järnoxider som oxiderade ammoniaken? Nej, järnoxider löses upp av svavelväte, som det finns gott om i botten av Koljö fjord, innan de når det djupet i sedimenten. Kunde det vara manganoxider? Nej, de fann alldeles för lite mangan i proverna. Även andra möjligheter uteslöts med hjälp av de geokemiska och genetiska analyserna. Det enda som inte kunde uteslutas i denna syrefria miljö var sulfammox – en process där ammoniak oxideras med sulfat som elektronmottagare istället för syre och bildar nitrat.

– Sulfammox är den mest troliga förklaringen, men det är en process som än så länge inte är så väl studerad och den är dåligt dokumenterad från naturliga miljöer, så det är bara en hypotes, säger Alexis Fonseca.

Kombination av metoder tyder på okänd ekologisk nisch

– Vi har flera lager av ingredienser här, som vi lagt ihop och som gör att vi kan föreslå den här nya ekologiska nischen för kabelbakterierna: för det första har vi påvisat kabelbakterier på djupet i syrefria sediment, för det andra har vi hög nitratkoncentration precis på samma djup som kabelbakterierna och för det tredje är både svavel och ammoniak tillgängligt där.

– Det är möjligt att det som pågår är någon form av syntrofi, alltså ett tätt kemiskt samarbete mellan olika mikroorganismer, där den enes restprodukt är den andres bränsle, säger Alexis Fonseca.

– Det kan ge oss inblickar i hur livet kanske såg ut under jordens tidiga utveckling, under de två första årmiljarderna när det ännu knappt fanns något syre.

Kortlivat RNA

Men hur kan de vara säkra på att kabelbakterierna de påvisat verkligen lever? Kan det inte vara rester av gamla kabelbakterietrådar som bara begravts i sedimenten?

– Vi är säkra på att de lever och är aktiva eftersom vi använt metoden metatranskriptomik, där man tittar på RNA, som är mycket kortlivat, säger Alexis Fonseca.

Metatranskriptomik är en modern, molekylärbiologisk metod som revolutionerat möjligheterna att studera mikrobiella samhällen. Den innebär att man analyserar RNA, som bildas när gener är aktiva, läses av och cellen bygger proteiner. RNA bryts ner inom bara minuter och timmar, så hittar man det vet man att man har att göra med levande organismer som är aktiva. Döda celler lämnar inga RNA-spår.

Flera nya, okända arter

Forskarna har också gjort en fylogenetisk analys, det vill säga undersökt en stor mängd genetiska signaturer för att se hur bakterierna är släkt med varandra och med redan kända arter. Analysen visar att kabelbakterierna i Koljöfjorden tillhör flera olika evolutionära linjer, och att flera av dem sannolikt är helt nya, ännu icke beskrivna arter.

Sammantaget är det en studie som med en elegant kombination av geokemiska och metatranskriptomiska metoder tyder på att kabelbakterierna har potential att spela en större roll i havens ekosystem än vi hittills anat. Nu vet vi att de kan leva och vara aktiva i syrefria miljöer där ingen trott att de kunde överleva. Återstår att undersöka vad deras elektrontransporter där nere i sedimenten innebär för Östersjön och andra syrefattiga havsmiljöer.

Text: Michaela Lundell

Läs den vetenskapliga artikeln i Environmental Microbiome:
Evidence for cable bacteria inhabiting deep in anoxic sediment reveals a novel ecological