Geobiological mechanisms that determine microbial community structure and biogeochemical metal cycling in submarine hydrothermal vent fields in Santorini and Kolumbo, hellenic volcanic arc
Authors: Χρηστάκης Χρήστος 
Published: September 2021

Τα υποθαλάσσια υδροθερμικά πεδία χαρακτηρίζονται από την έκλυση θερμών και χημικά τροποποιημένων υδάτινων ρευστών διαλυμάτων, τα οποία παράγονται κάτω από το θαλάσσιο πυθμένα από την αλληλεπίδραση του εισερχόμενου θαλάσσιου νερού με τα πυριγενή πετρώματα. Η εκπομπή των υδροθερμικών ρευστών δημιουργεί χημικές και θερμικές βαθμίδες. Η αλληλεπίδραση των υδροθερμικών ρευστών με το θαλάσσιο νερό προκαλεί την απόθεση ορυκτών με τη μορφή υδροθερμικών καμινάδων και υβωμάτων. Οι χημειολιθότροφοι μικροοργανισμοί που αποικίζουν τις υδροθερμικές αποθέσεις και, καμινάδες, καθως και τους σχετιζόμενους μικροβιακούς τάπητες χρησιμοποιούν τα διαθέσιμα χημικά και ορυκτά υποστρώματα και δημιουργούν μικροβιακές κοινωνίες με υψηλή ταξινομική και μεταβολική ποικιλότητα. Ωστόσο, η κατανόηση μας, για το πως επηρεάζει η παρουσία ή απουσία ενεργούς έκλυσης υδροθερμικών ρευστών διαλυμάτων τις μικροβιακές κοινωνίες και για το πως οι κοινωνίες αυτές συμμετέχουν στο σχηματισμό πολυμεταλλικων θειούχων και άλλων ορυκτών, είναι περιορισμένη Με στόχο την κατανόηση της ποικιλότητας και της δομής των μικροβιακών κοινωνιών, τη μελέτη των μικροβιακών μεταβολικών δυνατότητων και την αλληλεπίδραση των μικροβιακών κοινωνιών με τη γεωχημεία και ορυκτολογία, κατά τη διάρκεια της παρούσας διατριβής, δείγματα συλλέχθηκαν από το υδροθερμικό πεδίο του υποθαλάσσιου ηφαίστειου του Κολούμπου και της καλδέρας της Σαντορίνης και χρησιμοποιήθηκαν σε τέσσερις διασυνδεδεμένες μελέτες.Κατά την πρώτη μελέτη, διεξήχθη αλληλούχιση τύπου dual-index Illumina του 16S rRNA γονιδίου (amplicon sequencing) σε συνολικό περιβαλλοντικό DNA από μικροβιακές κοινωνίες σε ενεργές και ανενεργές υδροθερμικές θειούχες καμινάδες από το υδροθερμικό πεδίο του θαλάσσιου πυθμένα του Κολούμπου. Συνολικά 15.701 λειτουργικά ταξινομικές ομάδες (OTU) αποδόθηκαν σε 56 φύλα βακτηρίων και 3 φύλα αρχαίων και σε 133 και 16 κλάσεις βακτηρίων και αρχαίων, αντίστοιχα. OTU που σχετίζονται με θερμόφιλα μέλη των Epsilonproteobacteria, Aquificae and Deltaproteobacteria κυριάρχησαν τις μικροβιακές κοινωνίες από ενεργές καμινάδες. Ένα OTU που σχετίζεται στενά με το αρχαίο Nitrosopumilus spp. και OTU συγγενικά με Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Planctomycetes and Bacteroidetes κυριάρχησαν στις κοινωνίες ανενεργών καμινάδων. Οι ομάδες αυτές είναι στενά συγγενικές με φυλοτύπους που τυπικά εμπλέκονται στους κύκλους σιδήρου, θείου, αζώτου, υδρογόνου και μεθανίου. Συνολικά, οι ανενεργές καμινάδες παρουσίασαν ομοιόμορφες μικροβιακές κοινωνίες υψηλής ποικιλότητας, σε αντίθεση με τις κοινωνίες από ενεργές καμινάδες που κυριαρχούνται από χημειολιθότροφες και θερμόφιλες ομάδες. Στη δεύτερη μελέτη, δείγματα θαλάσσιου νερού συλλέχθηκαν από 8 διαφορετικά βάθη από το επιφανειακό (5-90 m)και βαθύ στρώμα (430-495 m) της θαλάσσιας στήλης πάνω από την υδροθερμικά ενεργή περιοχή του πυθμένα του κρατήρα του ηφαιστείου του Κολούμπου. Τα δείγματα νερού χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση των θρεπτικών στοιχείων και για την καλλιέργεια και απομόνωση μεσόφιλων βακτηρίων με γεωμικροβιολογικό ενδιαφέρον και εν δυνάμει βιοτεχνολογική χρήση. Ένα σύνολο 232 βακτηριακών στελεχών απομονώθηκαν, τα οποία ανήκουν στα κατά Gram θετικά Bacilli και στα κατά Gram αρνητικά Alpha-, Beta- και Gammaproteobacteria. Το Pseudomonas είναι το πιο άφθονο γένος σε όλα τα απομονωμένα στελέχη στα νερά του Κολούμπου. Τα απομονωμένα στελέχη παρουσιάζουν μικρή φυλογενετική και ταξινομική ποικιλότητα σε αντίθεση με την υψηλή ποικιλότητα που έχει παρατηρηθεί σε μελέτες που δεν στηρίζονται σε καλλιέργειες από υδροθερμικές καμινάδες και ιζήματα. Η χαμηλή αυτή ποικιλότητα των στελεχών του Κολούμπου αντιπαραβάλλεται με την φαινοτυπική τους ποικιλότητα. Κατά τη διάρκεια της τρίτης και τέταρτης μελέτης εφαρμόστηκαν μεθοδολογίες μεταγονιδιώματος (shotgun metagenomics sequencing) με τεχνολογία Illumina που μπορούν να διαλευκάνουν τόσο τη ταξινομική δομή όσο και το λειτουργικό δυναμικό των μικροβιακών κοινοτήτων. DNA υψηλού μοριακού βάρους εξήχθη από στερεά δείγματα που συλλέχθηκαν από μεταλλοφόρες πολυμεταλλικές υδροθερμικές αποθέσεις από το ηφαίστειο του Κολούμπου και τις Λίμνες Καλλίστη της καλδέρας της Σαντορίνης (υποθαλάσσιες λίμνες που έχουν δημιουργηθεί από τη συσσώρευση του εκλυόμενου από την υδροθερμική δραστηριότητα διοξειδίου του άνθρακα). Το συνολικό DNA αλληλουχήθηκε με τη χρήση της τεχνολογίας Illumina. Οι επακόλουθες αλληλουχίες συναρμολογήθηκαν βιοπληροφορικά σε μεγαλύτερες συνεχόμενες αλληλουχίες (contigs). Ακολούθως, τα contigs σχολιάστηκαν, έγινε δηλαδή εκτίμηση της ταυτότητας και πρόβλεψη του λειτουργικού ρόλου των γονιδίων καθώς και «ανασύνθεση» των πολύπλοκων κυτταρικών και μεταβολικών μονοπατιών με τη διαδικτυακή πλατφόρμα IMG/MER. Οι λειτουργικά σχολιασμένες γονιδιωματικές αλληλουχίες αναλύθηκαν τόσο για τη διαλεύκανση της ταξινομικής όσο και της λειτουργικής ποικιλότητας των μικροβιακών κοινωνιών. Οι μεταγονιδιωματικές αναλύσεις συνδυάστηκαν με μαζική ανάλυση κύριων στοιχείων και ιχνοστοιχείων στα στερεά δείγματα και με μέτρηση των θρεπτικών στοιχείων στα δείγματα νερού από την υδάτινη στήλη. Τα δείγματα μεταγονιδιωμάτων από το Κολούμπο προέρχονται από τρία διακριτά στρώματα του επιφανειακού μέρους μιας ανενεργής υδροθερμικής καμινάδας. Το πιο άφθονο στοιχείο και στα τρία στρώματα ήταν ο σίδηρος (μ.ο. 2, 07%), ενώ τα στοιχεία του θείου, νατρίου, μόλυβδου, μαγνησίου, ασβεστίου και αρσενικού εμφάνισαν ακολούθως υψηλές συγκεντρώσεις (54,5 ppm – 1.09%). Οι μικροβιακές κοινωνίες και στα τρία στρώματα κυριαρχούνταν από βακτήρια των φύλων Chloroflexi, Gammaproteobacteria, Alphaproteobacteria, και Planctomycetesι ενώ ως προς τα αρχαία χαρακτηριστική ήταν η παρουσία του Nitrosopumilus maritimus. Σε αριθμό γονιδίων, η πιο άφθονη λειτουργία ήταν η οξείδωση της αμμωνίας από το Nitrosopumilus και η οξείδωση συμπλόκων του θείου που διεξάγονται από τα Gamma- και Alphaproteobacteria. Η οξείδωση δισθενούς σιδήρου είναι άφθονη στην ανενεργή καμινάδα και εν δυνάμει διεξάγεται από τα Zetaproteobacteria και από βακτήρια που οξειδώνουν νιτρικά. Άφθονα είναι επίσης τα γονίδια οξείδωσης του αρσενικού μαζί με τα γονίδια κυτταρικής μεταφοράς μετάλλων όπως ο σίδηρος, ο υδράργυρος, το αρσενικό και ο χαλκός. Συνολικά, η ορυκτολογία των πολυμεταλλικών καμινάδων και η απουσία υδροθερμικής δραστηριότητας έχουν διαπλάσσει αδιατάρακτες μικροβιακές κοινωνίες που παίρνουν μέρος σε διαδικασίες βιο-προσρόφησης και βιο-ορυκτοποίησης.Δύο μεταγονιδιωματικά δείγματα αναλύθηκαν από τις υποθαλάσσιες λίμνες Καλλίστη: ένα υγρό δείγμα της λίμνης και ένα δείγμα από τους περιβάλλοντες μικροβιακούς τάπητες. Οι λίμνες Καλλίστη χαρακτηρίζονται από χαμηλές τιμές pH, χαμηλές συγκεντρώσεις αμμώνιου, νιτρικών και πυριτικών, καθώς και υψηλές τιμές στοιχείων όπως ο σίδηρος, θείο, νάτριο και μαγνήσιο και βαρέων μετάλλων όπως ο μόλυβδος και το αρσενικό. Ποσοτική ανάλυση αποκάλυψε πως επικρατούν βακτήρια από τις ομάδες των Gammaproteobacteria, Chloroflexi, και Deltaproteobacteria με πολύ μικρά ποσοστά αρχαίων. Τα Zetaproteobacteria χαρακτηρίζονται μεταβολικά από την οξείδωση σιδήρου για απόκτηση ενέργειας και από τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα μέσω του μεταβολικού μονοπατιού Calvin-Benson-Bassham για τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Τα Zetaproteobacteria κυριαρχούν στο μικροβιακό τάπητα όπου μπορούν να χρησιμοποιήσουν το διαθέσιμο οξυγόνο ως δέκτη ηλεκτρονίων. Χημειολιθότροφα βακτήρια χρησιμοποιούν αναγωγή θειικών, οξείδωση θειούχων και αναγωγή νιτρικών και οξείδωση συμπλόκων θείου για απόκτηση ενέργειας. Χημειολιθοετερότροφα βακτήρια αποκτούν άνθρακα από την αποδόμηση αρωματικών υδρογονανθράκων. Οι μικροβιακές κοινωνίες έχουν προσαρμοστεί στις υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων όπως Pb, Co και Cd με τη χρήση αποτοξινωτικών μηχανισμών. Συνολικά, οι λίμνες Καλλίστη χαρακτηρίζονται από σίδηρο-οξειδωτικά Zetaproteobacteria που συμμετέχουν στο βιογενή σχηματισμό όξυ-υδροξειδίων του σιδήρου .Η παρούσα διατριβή στις μικροβιακές κοινωνίες των υδροθερμικών πεδίων από το ηφαίστειο του Κολούμπου και της καλδέρας της Σαντορίνης διαφωτίζει την επιρροή της ενεργής απορροής υδροθερμικών ρευστών και της γεωχημείας στη δομή και λειτουργία των μικροβιακών κοινωνιών. Οι μικροοργανισμοί παίζουν σημαντικό ρόλο στους βιογεωχημικούς κύκλους κοινών στοιχείων (C, S, N και H) και μετάλλων (Fe and As). Τέλος, οι υδροθερμικές μικροβιακές κοινωνίες επηρεάζουν την υδροθερμική απορροή και τις διεργασίες θειούχων ορυκτών μέσω του σχηματισμού ταπήτων στο θαλάσσιο πυθμένα και βιοϋμένια στις καμινάδες.