ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र में प्रोकैरियोप्लैंक्टन समुदाय संरचना पर विघटित ऑक्सीजन के अंश की छाप

पूर्वी उष्णकटिबंधीय उत्तर प्रशांत (ईटीएनपी) एक बड़ा, लगातार और तीव्र ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र (ओएमजेड) है जो वैश्विक ओएमजेड के कुल क्षेत्रफल का लगभग आधा हिस्सा है। ओएमजेड कोर (~ 350-700 मीटर गहराई) के भीतर, घुलित ऑक्सीजन आमतौर पर आधुनिक सेंसर (~ 10 एनएम) की विश्लेषणात्मक पता लगाने की सीमा के करीब या नीचे होती है। ओएमजेड कोर के ऊपर और नीचे तीव्र ऑक्सीजन ढाल माइक्रोबियल समुदायों की ऊर्ध्वाधर संरचना का कारण बनते हैं जो कण-संबद्ध (पीए) और मुक्त-जीवित (एफएल) आकार के अंशों के बीच भी भिन्न होते हैं। यहां, हम एफएल और पीए आकार के अंशों के बीच और परिवेशी रेडॉक्स स्थितियों की सीमा के बीच प्रोकैरियोटिक आबादी की विविधता और वितरण का विश्लेषण करने के लिए 16 एस एम्प्लिकॉन अनुक्रमण (आईटैग) का उपयोग करते हैं। हमारे नमूनाकरण स्थान पर OMZ कोर में ऑक्सीजन की सूक्ष्म सांद्रता (लगभग 0.35 μM) मौजूद थी। परिणामस्वरूप, OMZ कोर के लिए सामान्यतः रिपोर्ट किए गए नाइट्राइट संचय अनुपस्थित थे, साथ ही एनामॉक्स बैक्टीरिया (ब्रोकाडियल्स जीनस) के अनुक्रम भी अनुपस्थित थे।कैंडिडेटसस्कैलिंडुआ), जो अन्य प्रणालियों में सामान्यतः ऑक्सिक-एनोक्सिक सीमाओं के पार पाए जाते हैं। हालाँकि, अमोनिया-ऑक्सीकरण करने वाले बैक्टीरिया (AOB) और आर्किया (AOA) वितरण और अधिकतम स्वपोषी कार्बन आत्मसात दर (1.4 μM C d)^–1) OMZ कोर के शीर्ष के पास अमोनियम की स्पष्ट अधिकतम सांद्रता के साथ मेल खाता है। इसके अलावा, इस जीनस के सदस्यनाइट्रोस्पिना, एक प्रमुख नाइट्राइट-ऑक्सीकरण करने वाले जीवाणु (NOB) क्लैड की उपस्थिति यह दर्शाती है कि अमोनिया और नाइट्राइट दोनों का ऑक्सीकरण ऑक्सीजन की अल्प सांद्रता पर होता है। समानता परीक्षण (ANOSIM) और गैर-मीट्रिक आयामी स्केलिंग (nMDS) के विश्लेषण से पता चला कि जीवाणु और आर्कियल फ़ायलोजेनेटिक निरूपण आकार अंशों के बीच काफी भिन्न थे। ANOSIM और iTag प्रोफ़ाइल के आधार पर, PA संयोजनों की संरचना FL अंश की तुलना में प्रचलित गहराई-निर्भर जैव-भू-रासायनिक व्यवस्था से कम प्रभावित थी। OMZ कोर में AOA, NOB और अल्प ऑक्सीजन की उपस्थिति के आधार पर, हम सुझाव देते हैं कि ETNP OMZ के इस क्षेत्र के नाइट्रोजन चक्र में नाइट्रीकरण एक सक्रिय प्रक्रिया है।

परिचय

चल रहे जलवायु परिवर्तन और स्थानीय मानवीय गतिविधियों के कारण खुले महासागर और तटीय समुद्री प्रणालियों में घुली हुई ऑक्सीजन की सांद्रता में गिरावट आ रही है।ब्रेइटबर्ग एट अल., 2018) पिछले 60 वर्षों के दौरान खुले महासागर से अनुमानित ऑक्सीजन की हानि 2% से अधिक है (श्मिटको एट अल., 2017), ऑक्सीजन-रहित क्षेत्र के विस्तार के परिणामों के बारे में चिंताएँ पैदा कर रहा है (पॉल्मियर और रुइज़-पिनो, 2009)। खुले महासागरीय ओएमजेड तब बनते हैं जब उच्च सतही प्राथमिक उत्पादन उपसतही जल में जैविक ऑक्सीजन की मांग को बढ़ाता है जो गहराई पर भौतिक वेंटिलेशन की दर से अधिक होती है। ओएमजेड जल स्तंभों में ऑक्सीजन सांद्रता में ऑक्सीजन-रहित कोर के ऊपर और नीचे तीव्र ढाल (ऑक्सीक्लाइन) हो सकती है जिससे अलग-अलग आयामों की हाइपोक्सिक (आमतौर पर 2 और ∼90 μM के बीच), सबऑक्सिक (<2 μM) और एनोक्सिक (पता लगाने की सीमा (∼10 nM) से नीचे) परतें बनती हैं (बर्टाग्नोली और स्टीवर्ट, 2018)। ऑक्सीजन प्रवणता इन व्यापक ऑक्सीक्लाइन के साथ मेटाज़ोअन और सूक्ष्मजीव समुदायों और जैव-रासायनिक प्रक्रियाओं की ऊर्ध्वाधर संरचना को जन्म देती है (बेलमार एट अल., 2011).

पूर्वी उष्णकटिबंधीय उत्तरी प्रशांत (ईटीएनपी) और दक्षिण प्रशांत (ईटीएसपी) के ओएमजेड में नाइट्रोजन हानि की कुछ उच्चतम दरें दर्ज की गई हैं।कॉलबेक एट अल., 2017;पेन एट अल., 2019), स्थायी रूप से स्तरीकृत कैरियाको बेसिन (मोंटेस एट अल., 2013), अरब सागर (वार्ड एट अल., 2009), और बेंगुएला अपवेलिंग सिस्टम का ओएमजेड (कुइपर्स एट अल., 2005)। इन प्रणालियों में, कैनोनिकल डिनाइट्रीफिकेशन (नाइट्रेट का नाइट्रोजन मध्यवर्ती और अक्सर डाइनाइट्रोजन गैस में परपोषी अपचयन) और एनामोक्स (अवायवीय अमोनियम ऑक्सीकरण) की माइक्रोबियल प्रक्रियाएं नाइट्रोजन की हानि का कारण बनती हैं जो संभावित रूप से प्राथमिक उत्पादन को सीमित कर सकती हैं (वार्ड एट अल., 2007)। इसके अलावा, ओएमजेड में होने वाले सूक्ष्मजीवी विनाइट्रीफिकेशन से समुद्री नाइट्रस ऑक्साइड उत्सर्जन (एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस) वैश्विक प्राकृतिक नाइट्रस ऑक्साइड उत्सर्जन का कम से कम एक तिहाई हिस्सा होने का अनुमान है (नकवी एट अल., 2010).

ईटीएनपी ओएमजेड एक बड़ा, लगातार और तीव्र ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र है जो वैश्विक ओएमजेड के कुल क्षेत्रफल का लगभग आधा हिस्सा है, यह 0-25 डिग्री उत्तरी अक्षांश और 75 और 180 डिग्री पश्चिमी देशांतर के बीच स्थित है (पॉल्मियर और रुइज़-पिनो, 2009;श्मिटको एट अल., 2017)। उनके पारिस्थितिक महत्व के कारण, विभिन्न ETNP OMZ क्षेत्रों की जैव-रसायन विज्ञान और सूक्ष्मजीव विविधता का गहन अध्ययन किया गया है (उदाहरण के लिए,बेमन और कैरोलन, 2013;ड्यूरेट एट अल., 2015;गणेश एट अल., 2015;क्रोनोपोलू एट अल., 2017;पैक एट अल., 2015;पेंग एट अल., 2015)। पिछले अध्ययनों की रिपोर्ट है कि इस ओएमजेड कोर (लगभग 250-750 मीटर गहराई) में घुली हुई ऑक्सीजन आमतौर पर विश्लेषणात्मक पता लगाने की सीमा (लगभग 10 एनएम) के पास या उससे नीचे होती है।टियानो एट अल., 2014;गार्सिया-रोबल्डो एट अल., 2017)। हालांकि, ईटीएनपी के ओएमजेड (अध्ययन स्थल स्थान ∼22°N) के उत्तरी किनारे पर 500 मीटर पर ऑक्सीजन सांद्रता 10 और 20 μM के बीच वार्षिक औसत तक पहुंच सकती है (पॉल्मियर और रुइज़-पिनो, 2009; विश्व महासागर एटलस 2013 से डेटा)¹यहाँ वर्णित क्षेत्र अभियान के दौरान, हमने OMZ कोर में ऑक्सीजन की पर्याप्त सांद्रता (0.35 μM) मापी, जो अमोनियम और नाइट्राइट ऑक्सीकरण जैसी वायवीय सूक्ष्मजीवी प्रक्रियाओं को सहयोग प्रदान करती है, और महत्वपूर्ण अवायवीय सूक्ष्मजीवी प्रक्रियाओं को आंशिक रूप से बाधित करती है। ETNP OMZ की प्रतीत होने वाली उप-ऑक्सीजन या ऑक्सीजन-रहित परतों में पहले भी वायवीय सूक्ष्मजीवी प्रक्रियाओं का पता लगाया जा चुका है।पेंग एट अल., 2015;गार्सिया-रोबल्डो एट अल., 2017;पेन एट अल., 2019)। हालाँकि, ओएमजेड में सूक्ष्मजीवों के विशिष्ट कार्यात्मक समूहों के वितरण और गतिविधियों को नियंत्रित करने वाले कारक अभी तक पूरी तरह से समझ में नहीं आए हैं।

ओएमजेड में जहां ऑक्सीजन का पता नहीं चल पाता है, वहां नाइट्रिफायर की उपस्थिति को हाल ही में ऑक्सीक्लाइन की ऊर्ध्वाधर स्थिति में हुए बदलावों द्वारा समझाया जा सकता है, जो एपिसोडिक ऊर्ध्वाधर ऑक्सीजन वेंटिलेशन के कारण होता है, जिससे ओएमजेड कोर के भीतर अल्पकालिक ट्रेस ऑक्सीजन स्तर हो सकता है (मुलर-कार्गर एट अल., 2001;उलोआ एट अल., 2012;गार्सिया-रोबल्डो एट अल., 2017)। ऐसी क्षणिक स्थितियों का उपयोग नाइट्रिफ़ायरों सहित वायवीय या सूक्ष्मवायुस्नेही आबादियों द्वारा किया जा सकता है। इसके अलावा, एपिपेलजिक (एकत्रित कोशिकाएँ, मल कण और जटिल कार्बनिक पदार्थ) से निकलने वाले डूबते कणों में ऑक्सीजन की मात्रा अल्प हो सकती है।गणेश एट अल., 2014)। इस प्रकार, ऑक्सीजन और वायवीय सूक्ष्मजीवों को अन्यथा ऑक्सीजन-रहित जल में पहुँचाया जा सकता है, जिससे कणों के साथ मिलकर अस्थायी रूप से वायवीय उपापचय संभव हो पाता है। कणों को सूक्ष्मजीवी जैव-भू-रासायनिक चक्रण के हॉटस्पॉट के रूप में जाना जाता है।साइमन एट अल., 2002;गणेश एट अल., 2014) और विपरीत अवायवीय या वायवीय सूक्ष्मजीव प्रक्रियाओं का समर्थन कर सकते हैं जो मुक्त-जीवित अवस्था में नहीं देखी जाती हैं (एल्ड्रेज और कोहेन, 1987;राइट एट अल., 2012;सुटर एट अल., 2018).

वर्तमान अध्ययन में, हम ETNP के OMZ के उत्तरी किनारे पर स्थित प्रोकैरियोटिक समुदायों और उनके ऊर्ध्वाधर वितरण को प्रभावित करने वाले पर्यावरणीय कारकों की जाँच 16S एम्प्लिकॉन अनुक्रमण (iTags) और बहुभिन्नरूपी सांख्यिकी का उपयोग करके करते हैं। हमने दो आकार अंशों का परीक्षण किया; मुक्त-जीवित (0.2–2.7 μm) अंश, और कण-सम्बद्ध अंश (>2.7 μm, कणों के साथ-साथ प्रोटिस्टन कोशिकाओं को भी ग्रहण करता है) ऑक्सिक्लाइन के साथ कई गहराइयों पर, जो विशिष्ट रेडॉक्स स्थितियों के अनुरूप हैं।

हम विभिन्न मापदंडों वाले घुलित ऑक्सीजन सेंसर प्रदान कर सकते हैं, ताकि आणविक सांद्रता की वास्तविक समय में निगरानी की जा सके। परामर्श के लिए आपका स्वागत है।

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