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Nov 10, 2023

Accumulo di nitriti e partizionamento della nicchia batterica anammox nell'Artico centrale

ISME Communications volume 3,

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 26 (2023) Citare questo articolo

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Consumando ammonio e nitrito, i batteri anammox formano un'importante gilda funzionale nel ciclo dell'azoto in molti ambienti, compresi i sedimenti marini. Tuttavia, la loro distribuzione e il loro impatto sull’importante substrato nitrito non sono stati ben caratterizzati. Qui abbiamo combinato approcci biogeochimici, microbiologici e genomici per studiare i batteri anammox e altri gruppi di ciclismo dell’azoto in due nuclei di sedimenti recuperati dalla dorsale artica medio-oceanica (AMOR). Abbiamo osservato l'accumulo di nitriti in queste carote, un fenomeno registrato anche in altri 28 siti di sedimenti marini e in ambienti acquatici analoghi. Il massimo dei nitriti coincide con una ridotta abbondanza di batteri anammox. Le abbondanze batteriche di Anammox erano almeno un ordine di grandezza superiori a quelle dei riduttori di nitriti e i massimi di abbondanza di anammox sono stati rilevati negli strati sopra e sotto il massimo di nitriti. L'accumulo di nitriti nei due nuclei AMOR si verifica in concomitanza con una partizione di nicchia tra due famiglie di batteri anammox (Candidatus Bathyanammoxibiaceae e Candidatus Scalinduaceae), probabilmente dipendente dalla disponibilità di ammonio. Attraverso la ricostruzione e il confronto dei genomi anammox dominanti (Ca. Bathyanammoxibius amoris e Ca. Scalindua sediminis), abbiamo rivelato che Ca. B. amoris ha meno trasportatori di ammonio ad alta affinità rispetto a Ca. S. sediminis e non ha la capacità di accedere a substrati alternativi e/o fonti energetiche come urea e cianato. Queste caratteristiche possono limitare Ca. Bathyanamoxibiaceae a condizioni di concentrazioni di ammonio più elevate. Questi risultati migliorano la nostra comprensione del ciclo dell’azoto nei sedimenti marini rivelando un accumulo coincidente di nitriti e una ripartizione di nicchia dei batteri anammox.

Il ciclo dell’azoto negli ecosistemi è strettamente controllato da una rete di processi mediati da microrganismi. In un ecosistema, il nuovo azoto biodisponibile (o fisso) viene generato dalla diazotrofia e può essere riconvertito in N2 mediante due processi di perdita di azoto: denitrificazione e ossidazione anaerobica dell'ammonio (anammox) [vedere la revisione in es. [1]]. Gli ultimi due metabolici anaerobici sono generalmente favoriti in ambienti a basso contenuto di ossigeno, sia nelle zone pelagiche con minimo ossigeno dell'oceano, sia nei sedimenti bentonici [2]. Stime precedenti suggeriscono che la perdita fissa di azoto nel benthos è 1,3-3 volte maggiore in termini di entità rispetto alla colonna d’acqua su base globale [3,4,5]. Pertanto, i processi di perdita di azoto sedimentario svolgono un ruolo cruciale nella regolazione dell’abbondanza di azoto biodisponibile negli habitat marini. Il nitrito è un substrato cruciale sia dell'anammox che della denitrificazione [6, 7], la cui disponibilità esercita un profondo controllo sull'entità della perdita di azoto [8]. Tuttavia, il nitrito raramente si accumula fino a un livello elevato quanto il nitrato e l’ammonio nei sedimenti marini, portando la presenza e i percorsi di trasformazione del nitrito in questo vasto ambiente ad essere in gran parte trascurati. I batteri Anammox sono tra i maggiori consumatori di nitrito, a causa del loro rigoroso requisito di questo composto per ossidare l'ammonio.

Dalla sua scoperta nell'ambiente marino due decenni fa [8], l'anammox ha dimostrato di contribuire in modo significativo alla perdita fissa di azoto [ad esempio, [9]. Tra i batteri anammox marini precedentemente riconosciuti (affiliati alle famiglie Candidatus Brocadiaceae e Candidatus Scalinduaceae), i membri di Ca. Le Scalinduaceae sono state costantemente rilevate nei sedimenti marini [10,11,12,13] e diverse colture di arricchimento sono state ottenute da sedimenti costieri [ad esempio, Ca. Scalindua japonica [14] e Ca. Scalindua profonda [15]]. Tuttavia, sebbene apparentemente onnipresente, Ca. Le Scalinduaceae potrebbero non essere l'unica famiglia di batteri anammox presente nei sedimenti marini. Recentemente, esaminando i genomi assemblati con metagenoma dai sedimenti della dorsale artica medio-oceanica (AMOR) e dall'ambiente delle acque sotterranee, è stata scoperta una nuova famiglia di batteri anammox (cioè Candidatus Bathyanammoxibiaceae [16]). Nei nuclei AMOR, sia Ca. Scalinduaceae e Ca. Le Bathyanammoxibiaceae sono confinate nella zona di transizione nitrato-ammonio e Ca. Le Bathyanamoxibiaceae a volte possono superare in numero significativamente le loro controparti di Ca. Scalinduaceae [16]. La coesistenza di due lignaggi funzionalmente (quasi) identici nei sedimenti AMOR ha sollevato la questione se queste famiglie occupino la stessa nicchia e quale influenza potrebbero avere sulla distribuzione e sulle trasformazioni del nitrito.