Trichodesmium цианобактерии диазотрофи фиксация на азот и роля в океаните

Trichodesmium, или "морски стърготини", е род нишковидни цианобактерии. Те се срещат в бедни на хранителни вещества тропически и субтропически океански води.

Най-често се срещат около Австралия и в Червено море, където са описани за първи път от капитан Кук.

Trichodesmium е диазотроф, т.е. фиксира атмосферния азот в амоний - хранително вещество, използвано от други организми. Смята се, че Trichodesmium фиксира азот в такъв мащаб, че на него се пада почти половината от азотното свързване в морските системи в световен мащаб.

Морфология и колонии

Trichodesmium са нишковидни (филаментозни) цианобактерии, които често образуват видими на повърхността колонии. Колониите им имат два основни морфотипа: „възглавнички“ (puffs) и „кичури“ (tufts). Нишките са съставени от клетки, свързани в редици; някои клетки в нишката изпълняват специализирани функции, свързани с фиксацията на азот.

Механизми на фиксация на азот

Фиксация през деня: за разлика от много други цианобактерии, които разделят фотосинтезата и фиксацията на азот по време (напр. нощно фиксиране), Trichodesmium често фиксира азот по време на дневната светлина. Това изисква механизми за защита на ензима nitrogenase от кислорода, произведен при фотосинтезата.
Механизми за защита: използват се различни стратегии — образуване на микросреда с по-ниско съдържание на кислород, повишена клетъчна дихателна активност (respiratory protection), и локално разграничаване на клетки с диференцирани функции (понякога наричани диазоцити).
Изисквания на ензимите: nitrogenase съдържа желязо и молибден, затова наличието на желязо (Fe) и фосфор (P) е критично за активността и растежа на Trichodesmium.

Екологична роля и значение

Trichodesmium играе ключова роля в глобалния азотен цикъл, особено в големи открити райони на океаните, бедни на хранителни вещества. Фиксираният от тях азот (амоний и органични форми) става достъпен за други фитопланктонни и микробни общности, подпомагайки първичната продукция в oligotrophic морета. Колониите могат да образуват видими повърхностни „мастни петна“ (surface scums), които понякога се наблюдават от спътници.

Ограничения и фактори, които контролират разпространението

Дефицит на железо и фосфор: недостатъкът на Fe или P често ограничава фиксацията и растежа; постъпването на желязо чрез прахов внос (например пустинен прах) може да предизвика разкъсани бумове.
Температура и стратификация: предпочитат топли, слабо смесени повърхностни води; изменението на температурите и усилване на стратификацията може да разшири или промени зоните им на разпространение.
Взаимодействия с микробиома: хетеротрофни бактерии, вируси и други фитопланктонни видове влияят на физиологията и екологията на Trichodesmium — те участват в циркулацията на хранителни вещества и разграждането на органична материя.

Влияние върху биогеохимията и човешките интереси

Чрез внасянето на биологично достъпен азот, Trichodesmium подпомага секторацията на въглерод и цялостната продуктивност на морските екосистеми. От друга страна, при масови разраствания могат да се образуват големи повърхностни петна, които локално променят кислородното съдържание и качеството на водата. Някои изследвания показват, че определени цианобактерии могат да синтезират токсични метаболити (напр. BMAA и други), но ролята и значението на тези съединения при Trichodesmium остават предмет на активни изследвания.

Методи за изследване

Микроскопия и култури: традиционно изучаване на морфологията и поведението в култури (например Trichodesmium erythraeum е моделна Сп.
Молекулярни маркери: генът nifH използва се за откриване и количествена оценка на диазотрофната активност в проби.
Изотопни методи: инкубации с 15N2 позволяват директно измерване на скоростите на фиксация на азот.
Спътников мониторинг: големи повърхностни разраствания могат да се наблюдават от космоса чрез дистанционно измерване на цветността и рефлективността на морската повърхност.

Климатични промени и бъдещи перспективи

Промените в климата — повишаване на SST (sea surface temperature), промени в разпределението на ветровете и увеличена стратификация — могат да променят разпространението и активността на Trichodesmium. Нарастващият внос на прах и промени в концентрациите на хранителни вещества могат да доведат до по-чести или по-интензивни бумове в някои региони, но общите ефекти са сложни и зависят от множество взаимодействия.

Кратко обобщение: Trichodesmium е важен морски диазотроф, който значително допринася за фиксирането на атмосферния азот в тропическите и субтропическите океани. Неговият принос към биогеохимичните цикли, взаимодействието със средата и реакцията му на променящите се океански условия остават интензивно изследвани и от голямо екологично значение.