Riduzione simultanea di solfati e nitrati nei sedimenti costieri

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 17 (2023) Citare questo articolo

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Le condizioni redox oscillanti che caratterizzano i sedimenti sabbiosi costieri favoriscono comunità microbiche in grado di respirare ossigeno e nitrati contemporaneamente, aumentando così il potenziale di rimineralizzazione della materia organica, perdita di azoto (N) ed emissioni del gas serra protossido di azoto. Non è noto in che misura queste condizioni portino anche a sovrapposizioni tra la respirazione dissimilatoria di nitrati e solfati. Qui, mostriamo che la respirazione di solfati e nitrati si verifica contemporaneamente nei sedimenti superficiali di una piana sabbiosa intercotidale. Inoltre, abbiamo trovato forti correlazioni tra la riduzione dissimilativa dei nitriti in ammonio (DNRA) e i tassi di riduzione dei solfati. Fino ad ora, si presumeva che i cicli dell’azoto e dello zolfo fossero collegati principalmente nei sedimenti marini dall’attività degli ossidanti solforati che riducono i nitrati. Tuttavia, le analisi trascrittomiche hanno rivelato che il gene marcatore funzionale per DNRA (nrfA) era più associato a microrganismi noti per ridurre il solfato piuttosto che ossidare il solfuro. I nostri risultati suggeriscono che quando il nitrato viene fornito alla comunità dei sedimenti in seguito all’inondazione delle maree, parte della comunità che riduce i solfati può cambiare la strategia respiratoria con il DNRA. Pertanto gli aumenti del tasso di riduzione del solfato in situ possono comportare un aumento del DNRA e una riduzione dei tassi di denitrificazione. Curiosamente, il passaggio dalla denitrificazione al DNRA non ha influenzato la quantità di N2O prodotta dalla comunità denitrificante. I nostri risultati implicano che i microrganismi classicamente considerati riduttori di solfato controllano il potenziale di DNRA all’interno dei sedimenti costieri quando le condizioni redox oscillano e quindi trattengono l’ammonio che verrebbe altrimenti rimosso dalla denitrificazione, esacerbando l’eutrofizzazione.

I sedimenti sabbiosi permeabili che delimitano le coste agiscono come filtri biocatalitici altamente efficaci che rimineralizzano il carbonio organico e rimuovono l'azoto fisso attraverso la denitrificazione [1,2,3,4,5]. Le comunità microbiche che catalizzano le trasformazioni biogeochimiche nei sedimenti permeabili sono soggette a frequenti oscillazioni nella fornitura di accettori di elettroni, in cui la profondità alla quale ossigeno e nitrato penetrano nel sedimento può cambiare in pochi minuti [6,7,8,9,10]. Queste oscillazioni sono dovute a cambiamenti nell’avvezione delle acque interstiziali derivanti dal cambiamento delle correnti di marea, delle onde, della forma delle superfici dei letti di sabbia e della bioturbazione e bioirrigazione [4, 11, 12]. Su scale temporali più lunghe, le alte correnti e gli eventi tempestosi mobilitano i sedimenti sabbiosi, ridistribuendo i granelli di sabbia e i microrganismi ad essi attaccati tra gli strati di sedimenti [13,14,15,16,17].

Molti dei microrganismi all’interno dei sedimenti permeabili sembrano adattarsi alle condizioni oscillanti ossiche e anossiche [18]. Tali adattamenti includono la specializzazione metabolica degli organismi coinvolti nel processo di denitrificazione, che porta alla rimozione dei nitrati ma anche a sostanziali emissioni di protossido di azoto [19, 20]. Inoltre, i rapidi cambiamenti nelle condizioni redox e nella disponibilità degli accettori di elettroni fanno sì che i microrganismi utilizzino simultaneamente ossidasi terminali e N-reduttasi. Ciò porta alla co-occorrenza di processi di denitrificazione e di respirazione aerobica, che sono tipicamente separati spazialmente o temporalmente in sedimenti a diffusione limitata [10, 18, 19]. Potenzialmente, la riduzione dei solfati e la riduzione dei nitrati possono verificarsi simultaneamente anche nei sedimenti superficiali dove i nitrati vengono forniti in modo intermittente [21], o anche la riduzione dei solfati e la respirazione dell'ossigeno. Tuttavia, le potenziali interazioni tra la riduzione simultanea dei solfati e le vie di riduzione dei nitrati nei sedimenti permeabili rimangono inesplorate.

Tipicamente, i microrganismi nei sedimenti marini impiegano diversi accettori di elettroni in profondità, in gran parte in accordo con la loro resa energetica decrescente, che spesso porta ad un’apparente separazione spaziale della riduzione dei solfati da quella dei nitrati [22,23,24]. Questa separazione è probabilmente mantenuta dall'esclusione competitiva, in cui i riduttori di N superano i riduttori di solfato perché conservano più energia per elettrone donato [24,25,26,27]. Inoltre, l’accumulo di nitriti, che è stato osservato avvenire a causa della specializzazione metabolica nelle sabbie [20], può anche inibire in modo competitivo la solfito reduttasi, un enzima cruciale per la riduzione dei solfati [28, 29]. Tuttavia, la riduzione dei solfati e la denitrificazione possono essere collegate tramite l’attività microbica [22]. Ad esempio, i microbi possono colmare la distanza tra sedimenti solfidrici e ricchi di nitrati mediante migrazione [30] o pili elettrogenici ed eseguire l’ossidazione dei solfuri accoppiata alla riduzione dei nitrati [31, 32]. Quando la riduzione dei nitrati è accoppiata alla completa ossidazione dei solfuri, la riduzione dei solfati può quindi essere sottostimata [33,34,35,36].