Redução simultânea de sulfato e nitrato em sedimentos costeiros

Aug 16, 2023

ISME Communications volume 3, Número do artigo: 17 (2023) Citar este artigo

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As condições redox oscilantes que caracterizam os sedimentos arenosos costeiros promovem comunidades microbianas capazes de respirar oxigênio e nitrato simultaneamente, aumentando assim o potencial de remineralização da matéria orgânica, perda de nitrogênio (N) e emissões do gás de efeito estufa óxido nitroso. Não se sabe até que ponto essas condições também levam a sobreposições entre nitrato dissimilatório e respiração de sulfato. Aqui, mostramos que a respiração de sulfato e nitrato co-ocorre nos sedimentos da superfície de uma planície de areia entremarés. Além disso, encontramos fortes correlações entre a redução dissimilatória de nitrito a amônio (DNRA) e as taxas de redução de sulfato. Até agora, os ciclos de nitrogênio e enxofre foram considerados ligados principalmente em sedimentos marinhos pela atividade de oxidantes de sulfeto redutores de nitrato. No entanto, análises transcriptômicas revelaram que o gene marcador funcional para DNRA (nrfA) estava mais associado a microorganismos conhecidos por reduzir sulfato do que oxidar sulfeto. Nossos resultados sugerem que quando o nitrato é fornecido à comunidade sedimentar após a inundação das marés, parte da comunidade redutora de sulfato pode mudar a estratégia respiratória para DNRA. Portanto, aumentos na taxa de redução de sulfato in-situ podem resultar em DNRA melhorado e taxas de desnitrificação reduzidas. Curiosamente, a mudança de desnitrificação para DNRA não influenciou a quantidade de N2O produzida pela comunidade desnitrificante. Nossos resultados indicam que microrganismos classicamente considerados como redutores de sulfato controlam o potencial de DNRA em sedimentos costeiros quando as condições redox oscilam e, portanto, retêm amônio que de outra forma seria removido pela desnitrificação, exacerbando a eutrofização.

Os sedimentos arenosos permeáveis ​​que margeiam as costas agem como filtros biocatalíticos altamente eficazes que remineralizam o carbono orgânico e removem o nitrogênio fixado por meio da desnitrificação [1,2,3,4,5]. As comunidades microbianas que catalisam transformações biogeoquímicas em sedimentos permeáveis ​​estão sujeitas a frequentes oscilações no fornecimento de aceptores de elétrons, onde a profundidade em que o oxigênio e o nitrato penetram no sedimento pode mudar em minutos [6,7,8,9,10]. Essas oscilações são devidas a mudanças na advecção da água intersticial resultante da mudança das correntes de maré, ondas, formato das superfícies dos leitos de areia e bioturbação e bioirrigação [4, 11, 12]. Em escalas de tempo mais longas, altas correntes e eventos de tempestade mobilizam sedimentos arenosos, redistribuindo os grãos de areia e seus microrganismos aderidos entre as camadas de sedimentos [13,14,15,16,17].

Muitos dos microorganismos dentro de sedimentos permeáveis ​​parecem estar adaptados às condições óxicas e anóxicas oscilantes [18]. Tais adaptações incluem especialização metabólica de organismos envolvidos no processo de desnitrificação, o que leva à remoção de nitrato, mas também a emissões substanciais de óxido nitroso [19, 20]. Além disso, mudanças rápidas nas condições redox e na disponibilidade do aceptor de elétrons resultam em microorganismos usando simultaneamente oxidases terminais e N-redutases. Isso leva à co-ocorrência de processos de desnitrificação e respiração aeróbica, que são tipicamente espacial ou temporalmente separados em sedimentos de difusão limitada [10, 18, 19]. Potencialmente, a redução de sulfato e a redução de nitrato também podem ocorrer simultaneamente em sedimentos superficiais onde o nitrato é fornecido intermitentemente [21], ou mesmo redução de sulfato e respiração de oxigênio. No entanto, as interações potenciais entre redução simultânea de sulfato e vias de redução de nitrato em sedimentos permeáveis ​​permanecem inexploradas.

Normalmente, os microorganismos em sedimentos marinhos empregam diferentes aceptores de elétrons ao longo da profundidade, em grande parte de acordo com seu rendimento energético decrescente, o que muitas vezes leva a uma aparente separação espacial da redução de sulfato da redução de nitrato [22,23,24]. Essa separação é provavelmente mantida por exclusão competitiva, em que N-redutores superam os redutores de sulfato porque conservam mais energia por elétron doado [24,25,26,27]. Além disso, o acúmulo de nitrito, que ocorreu devido à especialização metabólica em areias [20], também pode inibir competitivamente a sulfito redutase, uma enzima crucial para a redução de sulfato [28, 29]. No entanto, a redução de sulfato e a desnitrificação podem ser ligadas via atividade microbiana [22]. Por exemplo, micróbios podem preencher a distância entre sedimentos sulfídicos e ricos em nitrato por migração [30] ou pili eletrogênico e realizar oxidação de sulfeto acoplada à redução de nitrato [31, 32]. Quando a redução do nitrato é acoplada à oxidação completa do sulfeto, a redução do sulfato pode, portanto, ser subestimada [33,34,35,36].