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Nov 10, 2023

Acúmulo de nitrito e particionamento de nicho bacteriano anammox no meio do Ártico

ISME Communications volume 3,

ISME Communications volume 3, Número do artigo: 26 (2023) Citar este artigo

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Ao consumir amônia e nitrito, as bactérias anammox formam uma importante guilda funcional na ciclagem de nitrogênio em muitos ambientes, incluindo sedimentos marinhos. No entanto, sua distribuição e impacto no importante substrato nitrito não foram bem caracterizados. Aqui, combinamos abordagens biogeoquímicas, microbiológicas e genômicas para estudar bactérias anammox e outros grupos de ciclagem de nitrogênio em dois núcleos de sedimentos recuperados da Cordilheira do Oceano Ártico (AMOR). Observamos acúmulo de nitrito nesses núcleos, fenômeno também registrado em 28 outros sítios de sedimentos marinhos e em ambientes aquáticos análogos. O máximo de nitrito coincide com a abundância reduzida de bactérias anammox. As abundâncias de bactérias anammox foram pelo menos uma ordem de grandeza maiores do que as dos redutores de nitrito e os máximos de abundância anammox foram detectados nas camadas acima e abaixo do máximo de nitrito. O acúmulo de nitrito nos dois núcleos da AMOR co-ocorre com uma partição de nicho entre duas famílias de bactérias anammox (Candidatus Bathyanammoxibiaceae e Candidatus Scalinduaceae), provavelmente dependente da disponibilidade de amônio. Através da reconstrução e comparação dos genomas anammox dominantes (Ca. Bathyanammoxibius amoris e Ca. Scalindua sediminis), revelamos que Ca. B. amoris tem menos transportadores de amônio de alta afinidade do que Ca. S. sediminis e não tem capacidade de acessar substratos alternativos e/ou fontes de energia como uréia e cianato. Esses recursos podem restringir Ca. Bathyanammoxibiaceae às condições de maiores concentrações de amônio. Essas descobertas melhoram nossa compreensão sobre a ciclagem de nitrogênio em sedimentos marinhos, revelando acúmulo coincidente de nitrito e particionamento de nicho de bactérias anammox.

A ciclagem do nitrogênio nos ecossistemas é intrinsecamente controlada por uma rede de processos mediados por microorganismos. Em um ecossistema, o novo nitrogênio biodisponível (ou fixo) é gerado por diazotrofia e pode ser convertido de volta em N2 por dois processos de perda de nitrogênio: desnitrificação e oxidação anaeróbica de amônio (anammox) [ver a revisão em, por exemplo, [1]]. Os dois últimos metabolismos anaeróbios são geralmente favorecidos em ambientes com baixo teor de oxigênio, seja nas zonas pelágicas mínimas de oxigênio do oceano ou nos sedimentos bentônicos [2]. Estimativas anteriores sugerem que a perda fixa de nitrogênio no bentos é 1,3 a 3 vezes maior em magnitude do que a coluna de água em uma base global [3,4,5]. Portanto, os processos sedimentares de perda de nitrogênio desempenham um papel crucial na regulação da abundância de nitrogênio biodisponível nos habitats marinhos. O nitrito é um substrato crucial tanto para o anammox quanto para a desnitrificação [6, 7], cuja disponibilidade exerce um profundo controle sobre a magnitude da perda de nitrogênio [8]. No entanto, o nitrito raramente se acumula em níveis tão altos quanto o nitrato e a amônia nos sedimentos marinhos, fazendo com que a presença e as vias de transformação do nitrito nesse vasto ambiente sejam amplamente negligenciadas. Bactérias anammox estão entre as maiores consumidoras de nitrito, devido a sua exigência estrita deste composto para oxidar amônio.

Desde a sua descoberta no ambiente marinho há duas décadas [8], o anammox demonstrou ser um contribuinte significativo para a perda fixa de nitrogênio [por exemplo, [9]. Entre as bactérias anammox marinhas previamente reconhecidas (filiadas às famílias Candidatus Brocadiaceae e Candidatus Scalinduaceae), membros de Ca. Scalinduaceae tem sido consistentemente detectada em sedimentos marinhos [10,11,12,13], e várias culturas de enriquecimento foram obtidas de sedimentos costeiros [por exemplo, Ca. Scalindua japonica [14] e Ca. Escalindua profunda [15]]. No entanto, embora aparentemente onipresente, Ca. Scalinduaceae pode não ser a única família bacteriana anammox presente em sedimentos marinhos. Recentemente, examinando genomas montados por metagenomas de sedimentos da Cordilheira do Oceano Ártico (AMOR) e do ambiente de águas subterrâneas, uma nova família de bactérias anammox foi descoberta (ou seja, Candidatus Bathyanammoxibiaceae [16]). Nos núcleos AMOR, tanto Ca. Scalinduaceae e Ca. Bathyanammoxibiaceae está confinada na zona de transição nitrato-amônia e Ca. Bathyanammoxibiaceae às vezes pode superar significativamente suas contrapartes de Ca. Scalinduaceae [16]. A coexistência de duas linhagens funcionalmente (quase) idênticas em sedimentos AMOR levantou a questão de saber se essas famílias ocupam o mesmo nicho e que influência podem ter na distribuição e transformações do nitrito.