Nguồn nhiên liệu tiềm ẩn cho vi sinh vật biển: Urê nổi lên như nguồn năng lượng chính cho vi khuẩn oxy hóa amoni ở biển
Bài viết của Fanni Aspetsberger, Hội Max Planck
Joerdis Stuehrenberg ngồi trước kính hiển vi huỳnh quang đánh dấu các tế bào mục tiêu để phân tích NanoSIMS tiếp theo. Ảnh: Carolin Otersen
Vi khuẩn cổ oxy hóa amoni (AOA) là một trong những vi sinh vật phong phú nhất trong đại dương và đóng vai trò quan trọng trong chu trình nitơ. Tuy nhiên, bất chấp sự phổ biến của chúng, các nhà khoa học từ lâu đã băn khoăn về cách những vi sinh vật này có thể phát triển mạnh trong vùng nước nghèo dinh dưỡng của đại dương mở, nơi nguồn nitơ và năng lượng chính của chúng, amoni, thường rất khan hiếm.
Một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu tại Viện Vi sinh vật biển Max Planck ở Bremen, Đức, dẫn đầu, hiện đã khám phá ra một phần quan trọng của bí ẩn này: Một số AOA dựa vào urê, một hợp chất nitơ hữu cơ phổ biến, ngoài amoni, như một nguồn năng lượng và nitơ.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu hai nhóm AOA chiếm ưu thế trong đại dương: Nitrosopumilus, thường được tìm thấy ở vùng nước ven biển giàu chất dinh dưỡng, và Nitrosopelagicus, chiếm ưu thế ở vùng biển khơi. Nghiên cứu kết hợp dữ liệu từ các chuyến thám hiểm đến ba khu vực đại dương rất khác nhau: Vịnh Mexico, nơi có nhiều amoni, vùng biển khơi của Vòng xoáy Angola, nơi hầu như không có amoni, và Biển Đen, nơi có nồng độ amoni cao ở vùng nước sâu và hầu như không có amoni ở vùng nước nông.
Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature Communications, cho thấy lý do tại sao các nhóm AOA khác nhau phát triển mạnh trong các môi trường biển khác biệt này và những khác biệt này thúc đẩy sự phân bố toàn cầu của chúng như thế nào.
Khoa học trên biển đi kèm với những cảnh hoàng hôn tuyệt đẹp. Ảnh: Tim Ferdelman
Hai vi sinh vật, hai chiến lược
Nghiên cứu cho thấy chi Nitrosopumilus ở vùng ven biển ưa thích amoni và chỉ sử dụng urê khi amoni khan hiếm. “Nitrosopumilus phát triển nhanh khi có amoni. Do đó, nó được trang bị tốt để sống trong vùng nước ven biển giàu amoni,” tác giả chính Joerdis Stuehrenberg cho biết.
Chi Nitrosopelagicus sống ở đại dương mở lại có hành vi rất khác. Nó sử dụng cả amoni và urê hiệu quả như nhau, và tiếp tục sử dụng urê ngay cả khi amoni dồi dào. Những vi khuẩn cổ này dường như thích nghi hoàn hảo với cuộc sống trong vùng nước nghèo chất dinh dưỡng. “Các tế bào Nitrosopelagicus có nhiều lựa chọn hơn,” Katharina Kitzinger, đồng tác giả chính của nghiên cứu cho biết. “Nếu cả amoni và urê đều có mặt, chúng thậm chí có thể tăng gấp đôi tốc độ tăng trưởng bằng cách sử dụng cả hai cùng một lúc.”
Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào quá trình nitrat hóa dựa trên amoni, nhưng nghiên cứu này cho thấy urê và có thể các hợp chất nitơ hữu cơ khác có thể đóng vai trò lớn hơn nhiều trong việc duy trì năng suất đại dương so với suy nghĩ trước đây. “Chúng ta có thể đang đánh giá thấp tốc độ nitrat hóa trong đại dương rộng lớn, nghèo chất dinh dưỡng,” đồng tác giả Hannah Marchant nói.
Chế độ năng suất và tầm quan trọng tương đối của urê trong ba môi trường khác nhau. Nguồn: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67048-1
Bằng chứng tế bào đơn cho các lối sống khác nhau
Để xác định chính xác loài AOA nào đang sử dụng nguồn nitơ nào, các nhà nghiên cứu cần phân biệt Nitrosopumilus và Nitrosopelagicus, điều mà các công cụ phân tử hiện có không thể thực hiện một cách đáng tin cậy. Do đó, nhóm nghiên cứu cần thiết kế các đầu dò mới, có độ đặc hiệu cao để phân biệt trực quan hai nhóm này dưới kính hiển vi. Với các đầu dò này, các nhà nghiên cứu đã có thể theo dõi cách mỗi nhóm đồng hóa nitơ ở cấp độ tế bào đơn, bằng cách sử dụng hình ảnh NanoSIMS.
"Các đầu dò mới cho phép chúng tôi thấy loài nào đang làm gì trong các quần xã hỗn hợp như ở Biển Đen," Stuehrenberg nói. “Kết hợp với phân tích NanoSIMS, chúng tôi cho thấy Nitrosopumilus chủ yếu phát triển trên amoni trong khi Nitrosopelagicus dễ dàng sử dụng cả amoni và urê, và tiếp tục sử dụng urê ngay cả khi amoni dồi dào.”
Ý nghĩa đối với chu trình dinh dưỡng toàn cầu
Các vi sinh vật oxy hóa amoni (AOA), đặc biệt là Nitrosopelagicus, nằm trong số những vi sinh vật phong phú nhất trong đại dương. Khả năng sử dụng urê và các nguồn nitơ hữu cơ khác của chúng có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự sẵn có của chất dinh dưỡng biển, năng suất sơ cấp ở đại dương mở và chu trình carbon toàn cầu.
“Hiểu được nguồn năng lượng nuôi dưỡng các vi sinh vật này là rất quan trọng,” Marcel Kuypers, tác giả chính của bài báo, cho biết. “Chúng là những tác nhân chính trong chu trình nitơ, và hoạt động của chúng giúp điều chỉnh sự sẵn có của chất dinh dưỡng trong đại dương và ngân sách carbon toàn cầu.”
Thông tin thêm: Joerdis Stuehrenberg et al, Việc sử dụng urê thúc đẩy sự phân chia vị trí sinh thái giữa các vi sinh vật oxy hóa amoni biển chiếm ưu thế, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67048-1
Thông tin tạp chí: Nature Communications
