Culture media and incubation temperature shape the recovery of aerobic bacteria from contrasting Antarctic soils

De bevroren bodems van Antarctica behoren tot de meest extreme omgevingen op aarde, een plek waar het leven moet standhouden tegen aanhoudende kou, uitdrogende winden en een gebrek aan voedsel. Toch, onder het ijs en binnen de dunne lagen bodem, houdt een verborgen wereld van microscopisch leven stand. Wetenschappers weten al lang dat deze aan de kou aangepaste bacteriën niet alleen overleven, maar ook actief hun ecosystemen vormgeven door organisch materiaal af te breken en nutriënten te cycleren op manieren die grotendeels mysterieus blijven. Om hen te begrijpen, moeten onderzoekers eerst in staat zijn om ze in een laboratorium te kweken. Dit is een moeilijke taak omdat de overgrote meerderheid van de bacteriën in de natuur weigert te groeien op de standaard petrischalen en onder de warme omstandigheden die wetenschappers gewoonlijk gebruiken. Het deel van het leven dat in een lab gekweekt kan worden, is vaak slechts een piepkleine, bevooroordeelde steekproef van de werkelijke diversiteit die in het wild aanwezig is. Begrijpen hoe men deze hardnekkige organismen kan verleiden tot groei is essentieel, niet alleen voor het catalogiseren van wat er bestaat, maar ook om hun potentieel te ontsluiten om ons te helpen de adaptatie te begrijpen en misschien zelfs nieuwe nuttige eigenschappen te ontdekken.

Een team van onderzoekers uit Brazilië zette zich in om dit probleem op te lossen door te testen hoe verschillende laboratoriumcondities het vermogen beïnvloeden om bacteriën te kweken uit drie zeer verschillende Antarctische bodemlocaties. Ze verzamelden monsters uit een modderig gebied rijk aan afbrekend organisch materiaal, een bevroren laag permafrost en bodem die sterk verrijkt is door pinguïnpoep. In plaats van één enkele methode te gebruiken, wierpen ze een breed net uit door de bodemmonsters uit te spreiden over twintig verschillende soorten groeimedia en ze te incuberen bij drie verschillende temperaturen: een koude acht graden Celsius, een gematigde vijfentwintig graden, en een warme zevenendertig graden. Ze lieten deze culturen tot wel vijfenveertig dagen groeien, een lange tijd in het lab, om te zien welke bacteriën uiteindelijk zouden verschijnen.

De resultaten toonden aan dat de keuze van de condities de gevonden bacteriën drastisch veranderde. In totaal herstelden het team 373 individuele bacteriestammen. De bodem uit de modder met afbrekend organisch materiaal produceerde de meeste bacteriën, gevolgd door de bevroren permafrostbodem, waarbij de pinguïnbodem de minste opbracht. Wanneer er naar temperatuur werd gekeken, was de gematigde conditie van vijfentwintig graden het meest succesvol en kweekte het grootste aantal bacteriën, nauw gevolgd door de koude acht graden conditie. De warme setting van zevenendertig graden kweekte veel minder, maar onthulde een specifieke groep hittebestendige bacteriën die de koudere settings misten. Deze bevinding suggereert dat geen enkele temperatuur voldoende is om het volledige bereik van het leven te vangen; in plaats daarvan onthult het gebruik van een bereik aan temperaturen verschillende, complementaire groepen organismen.

Het type voedsel dat aan de bacteriën werd aangeboden, was net zo belangrijk als de temperatuur. De onderzoekers ontdekten dat rijke, nutriëntendichte platen, die vaak in de algemene microbiologie worden gebruikt, de meeste bacteriën kweekten. Een specifiek type plaat met actieve koolstof was bijzonder effectief, waarschijnlijk omdat de koolstof schadelijke stoffen absorbeert die anders de groei van de bacteriën zouden stoppen. In contrast hiermee kweekten de zeer gespecialiseerde platen, die bedoeld zijn om specifieke typen bacteriën te targeten, zeer weinig kolonies. Dit geeft aan dat hoewel gespecialiseerde instrumenten zeldzame organismen kunnen vinden, brede en nutriëntenrijke omgevingen beter zijn voor het onthullen van de algemene diversiteit van de bodem.

Onder de bacteriën die groeiden, verschenen twee groepen herhaaldelijk in bijna elke conditie: Arthrobacter en Pseudarthrobacter. Dit waren de meest voorkomende bewoners die in de studie werden gevonden. Echter, de temperatuur fungeerde ook als een filter. De koudere acht graden setting was de enige manier om bepaalde koude-minnende groepen zoals Psychrobacter en Polaromonas te kweken, die bekend staan om hun gedijen in bevroren omgevingen. De warmere zevenendertig graden setting, hoewel deze minder bacteriën in totaal kweekte, kweekte succesvol hitte-tolerante types zoals Bacillus en Staphylococcus. Dit bevestigt dat verschillende temperaturen werken als verschillende sleutels, die verschillende delen van de bacteriële gemeenschap ontsluiten die anders verborgen zouden blijven.

De studie benadrukte ook dat de oorspronkelijke bron van de bodem ertoe deed. De modderige, organisch rijke locatie produceerde een breder scala aan bacteriën, inclusief vele die geassocieerd zijn met water en de afbraak van complex organisch materiaal. De bevroren permafrostbodem leverde een meer uniforme collectie bacteriën op, gedomineerd door de robuuste Arthrobacter-groep, wat de harde, nutriëntenarme omstandigheden van die omgeving weerspiegelt. Zelfs de pinguïnbodem, die rijk is aan nutriënten uit vogelpoep, produceerde minder bacteriën dan verwacht, wat suggereert dat andere factoren zoals de chemische samenstelling de groei daar beperken.

Uiteindelijk toont dit onderzoek aan dat om de microbiële levensvormen van Antarctica echt te begrijpen, wetenschappers niet kunnen vertrouwen op een enkele methode. Door een breed scala aan voedingsbronnen en temperaturen te combineren, waren zij in staat om een veel rijkere collectie levensvatbare bacteriën terug te winnen dan mogelijk zou zijn geweest met standaardtechnieken. Het team heeft nu een bibliotheek van 373 levende bacteriestammen die verder bestudeerd kunnen worden. Deze stammen vormen een reële, fysieke bron voor toekomstig onderzoek naar hoe het leven zich aanpast aan extreme kou, hoe deze bacteriën functioneren in hun ecosystemen, en welke unieke vermogens zij mogelijk bezitten. Het werk bevestigt dat de weg naar het ontdekken van de onzichtbare wereld van polaire microben ligt in het uitbreiden van het bereik aan condities die we gebruiken om hen aan het licht te brengen.