Fluorescensinmärkta mikroorganismer i ett sjösediment.Foto: T. Jeske
Bara vanligt vatten? Inte alls! Varje droppe vatten i sjöar, våtmarker och hav innehåller miljontals bakterier, arkéer (en annan grupp encelliga organismer) och virus. Denna mikroskopiska värld uppvisar en oerhörd mångfald och är av kritisk betydelse för kemisk vattenkvalitet och för de storskaliga biogeokemiska kretslopp som knyter samman biosfären och ligger till grund för allt annat liv. Detta är alltså inte fråga om de vattenburna bakterier och parasiter som gör oss sjuka, utan ekosystemens “normalflora”. Dessa mikroorganismer mobiliserar energi och näring och gör den tillgänglig för andra organismer i vattnet. Samtidigt bryter de ner och omsätter de organiska restprodukter och den döda biomassa som annars snabbt skulle fylla upp biosfären.
Nya metoder
Det är fortfarande mycket som vi inte känner till om dessa vattenlevande mikroorganismer. De flesta kan inte odlas i laboratorier och vi vet därför inte exakt hur de lever eller vilka processer de är kapabla att utföra. Med metoder som utgår från analys av den samlade arvsmassan hos dessa osynliga sötvattensorganismer, miljögenomik, är det nu fullt möjligt att beskriva deras mångfald och metabolism direkt i komplexa miljöprov, och även studera vilken betydelse enstaka populationer och samverkande mikrobiella konsortier (det vill säga grupper av flera olika mikroorganismer som är fysiskt sammanbundna) har för viktiga biogeokemiska processer.
Det har vi till exempel gjort i det Formas-finansierade projektet ”Kvävetillförsel till skiktade sjöar: betydelsen av heterotrof, mixotrof och metanotrof kvävefixering”. Kväve är ofta begränsande näringsämne för biologisk tillväxt i akvatiska system, men vissa mikroorganismer kan kringgå denna begränsning genom att omvandla luftens gasformiga kvävgas till biologiskt tillgängliga former. Detta är en mycket energikrävande process och man har tidigare antagit att det främst är solljusdrivna cyanobakterier (som också ofta kallas blågröna alger) som på detta sätt tillför kväve till ekosystemet. Med miljögenomik har vi nu lyckats identifierat en rad andra typer av bakterier som verkar kunna utföra kvävefixering även i frånvaro av ljus. Genom vidare analys av dessa organismers arvsmassa hoppas vi kunna bestämma vilken typ av energikälla och näringsämnen som dessa alternativa kvävefixerare är beroende av, samtidigt som vi kan bedöma deras inverkan på sjöns totala kvävebudget. Förhoppningen är att ökad kunskap om sjöarnas mikroskopiska liv ska kunna bidra till en mer effektiv förvaltning av våra talrika sötvattensresurser.
Sjöbakterier motverkar metanavgång
Det finns många andra exempel på hur mikroorganismer kan påverka oss människor och den miljö som vi lever i.
Till exempel när det gäller metanproduktion som är en av många centrala mikrobiella processer i sjöar och andra sötvatten. I syrefria vatten och sediment omvandlar bakterier i samverkan med vissa typer av arkéer, så kallade metanogener, döda växt-och djurdelar till den potenta växthusgasen metan. Om all metan som producerades på detta sätt skulle nå atmosfären skulle följderna bli katastrofala och vårt klimat skulle sannolikt förändras i grunden. Lyckligtvis för oss så finns det andra sjöbakterier som använder metan som energikälla och fungerar som ett mycket effektivt biologiskt metanfilter. Det har sedan länge varit känt att dessa metanotrofer lever i gränsskiktet mellan syrefria djupvatten och syrerika ytvatten, men med hjälp av odlingsoberoende metoder har man på senare tid funnit att vissa arkéer, eller konsortier som består av bakterier och arkéer, kan påbörja metanoxidationen redan i syrefria vatten och sediment, något som sannolikt leder till betydligt minskad metanavgång till atmosfären. I sjöar som fryser under vinterhalvåret kommer mycket av den metangas som produceras i sedimentet att ansamlas under isen och skulle kunna avgå till atmosfären när isen smälter. Även här har ny forskning påvisat förekomst av särskilda grupper av köldanpassade metanotrofer som har förmågan att bryta ner och avlägsna metangasen även vid temperaturer nära fryspunkten.
Sammanfattningsvis kan miljögenomik och andra odlingsoberoende metoder utgöra de verktyg som vi behöver för att lära oss mer om hur det biologiska metanfiltret fungerar och hur tåligt det är mot olika former av stress och miljöpåverkan.
Vårt hållbara nyttjande av sjöar och andra akvatiska naturresurser hotas ständigt av tillförsel och förekomst av olika typer av miljöföroreningar. Kvicksilver utgör en särskilt problematisk förorening och är en starkt bidragande orsak till att de flesta svenska sötvatten inte uppnår “god kemisk status” enligt vattendirektivet. Kvicksilver är skadligt för människor och djur redan vid mycket låga halter och kan orsaka neurologisk skada. I naturen förekommer kvicksilver i många olika former, men det är främst metylerade former som ackumuleras i biomassa samtidigt som de är mer toxiska. Här spelar mikroorganismerna återigen en avgörande roll, då metylering av kvicksilver utförs av speciella grupper av bakterier och arkéer som lever i syrefria vatten och sediment. Det var först 2013 som forskare lyckades identifiera de gener som mikroorganismer behöver för att metylera kvicksilver, och sedan dess har kartläggningar med odlingsoberoende DNA-sekvensering lyckats påvisa en mängd nya bakteriesläkten och arkéer som har denna egenskap.
Genom att studera dessa kvicksilvermetylerande mikroorganismers metabolism och ekologi lär vi oss nu mer om de miljöfaktorer som påverkar kvicksilvrets biotillgänglighet och toxicitet. Ny forskning visar till exempel att tillförsel av labila kolföreningar från exempelvis algblomningar (även detta en mikrobiologisk process) kan leda till förhöjd kvicksilvermetylering i våra sjöar.
Tillgång till denna typ av ny kunskap öppnar för en mer effektiv framtida förvaltning av våra akvatiska naturresurser för att minska eller kanske helt undvika kvicksilverrelaterade hälsorisker.
Provtagning av en 6 meter lång sedimentkärna från Mälaren.Foto: Stefan Bertilsson