Microbios fijadores de nitrógeno encontrados en el mar antártico
ARRIBA: ISTOCK.COM, JOCREBBIN
Es un problema que todas las formas de vida terrestre deben resolver: ¿dónde obtener nitrógeno? Desde las plantas hasta las personas, el elemento es un componente fundamental del ADN, las proteínas y otras biomoléculas. El carbono, el nitrógeno [y] el fósforo son las tres cosas principales que se necesitan por completo para formar biomasa, dice Connie Lovejoy, ecologista microbiana de la Universidad Laval de Quebec.
Pero solo un grupo selecto de microbios, conocidos como diazótrofos, pueden extraer gas N2 del aire o N2 disuelto en agua y convertirlo en amonio, un proceso llamado fijación de nitrógeno, para que luego pueda usarse para construir otras biomoléculas. La mayoría del resto de nosotros nos apoyamos en su trabajo de alguna manera y, en menor medida, en reacciones químicas de fijación de nitrógeno catalizadas por rayos y volcanes. La fijación de nitrógeno es realmente costosa desde el punto de vista energético, porque requiere romper el triple enlace entre dos átomos de nitrógeno, explica Deborah Bronk, una oceanógrafa química que dirige el Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas en Maine.
El buque de investigación SHIRASE utilizado para el estudioTAKUHEI SHIOZAKI
Durante mucho tiempo se asumió que en el océano, solo los reinos más cálidos podían albergar diazótrofos, y que los microbios en las regiones más frías necesitarían eliminar el nitrógeno previamente fijado de las moléculas en el agua. No está claro por qué los científicos pensaron esto, dice Bronk, quien hace unos años buscó en la literatura los orígenes de la idea. No pude encontrar la base de por qué estaba tan arraigado, dice. y otros han llegado a la misma conclusión. En un estudio publicado el 26 de octubre en Nature Geoscience, un equipo de investigación con sede en Japón también encuentra diazotrofos en la Antártida, específicamente en aguas cercanas al hielo marino.
El estudio surgió cuando la autora principal Naomi Harada, geoquímica de la Agencia Japonesa de Ciencias y Tecnologías Marinas y Terrestres, estuvo a cargo de una expedición de investigación antártica, escribe el coautor Takuhei Shiozaki en un correo electrónico a The Scientist. Shiozaki, un microbiólogo marino que trabajó con Harada en ese momento y ahora está en la Universidad de Tokio, acompañó el viaje y recolectó muestras de agua del océano en 21 puntos en el océano abierto y más cerca de la costa. El equipo de estudio extrajo ADN y ARN de microbios en las muestras y buscó el gen de la enzima fijadora de nitrógeno, la nitrogenasa. Identificaron algunas de las especies microbianas presentes y probaron directamente si las células en cada una de las muestras estaban fijando nitrógeno y a qué velocidad.
Encontramos una fijación sustancial de nitrógeno cerca de [la] costa antártica, especialmente alrededor del hielo. -región cubierta, dice. El hielo marino contiene altos niveles de hierro, que pueden estar involucrados [en] la fijación de nitrógeno antártico.
La nitrogenasa necesita hierro para fijar nitrógeno y, a diferencia del Ártico, hay poco hierro disponible en el mar alrededor. Antártida. Además, las concentraciones de compuestos que contienen nitrógeno fijo son altas en esas aguas, lo que parecería significar que ser capaces de fijar su propio nitrógeno no daría a los diazotrofos una gran ventaja competitiva sobre los no diazotrofos.
Bronk, que no participó en el estudio, dice que es sorprendente que la fijación de nitrógeno se produzca en los mares antárticos, dadas las condiciones de bajo contenido de hierro y alta disponibilidad de nitrógeno ya fijado en forma de nitrato, y está de acuerdo en que el hierro encerrado el hielo marino es una parte probable de la explicación. Hay poco hierro presente en los vientos antárticos, señala, pero durante largos períodos de tiempo, se acumulará una buena cantidad de polvo en ese hielo. Y si derrites ese hielo, entonces, en el transcurso de una década, liberará hierro [al océano] mucho más rápido de lo que lo haría desde el aire. Pero eso todavía no explica por qué los microbios fijan nitrógeno cuando hay mucho nitrato alrededor, agrega.
Muestreo de agua de SHIRASERYO KIMURA
Lovejoy, que tampoco participó en el estudio, dice que no es inesperado que haya hay cierta presencia de diazótrofos en las aguas antárticas. Creo que es solo una cuestión de mantener algún tipo de diversidad en el océano, que siempre tendrás un número residual de organismos que todavía tienen ese gen y son capaces de fijar nitrógeno, le dice a The Scientist. Pero en cuanto a si usan esa habilidad bajo un conjunto dado de condiciones, siempre ha habido un pequeño debate sobre qué impulsa la fijación de nitrógeno en general, señala. Y eso es cierto tanto en los sistemas de agua dulce como en los marinos.
Para Shiozaki, el hallazgo de que la fijación de nitrógeno se produce en el fondo del globo es notable, pero le sorprende más quién hace la fijación. Lo más sorprendente es que la cianobacteria UCYN-A fue el principal diazótrofo, dice, ya que ese microbio se ha encontrado previamente en aguas tropicales y subtropicales, así como en el Océano Ártico. Esto significa que UCYN-A [se distribuye] por todo el mundo, desde los trópicos hasta las regiones polares. Lovejoy también considera que este es el hallazgo más sorprendente del estudio. Los microbios que pueden vivir tanto en los océanos templados como en las regiones polares son muy, muy raros, dice.
En estudios futuros, debemos investigar por qué UCYN-A puede prosperar en un área tan amplia rango de temperatura y lo que limita su fijación de nitrógeno, escribe Shiozaki. Esto nos permitirá predecir cómo cambiará la fijación de nitrógeno en los océanos con los cambios climáticos.
T. Shiozaki et al., Fijación biológica de nitrógeno detectada bajo el hielo marino antártico, Nat Geosci, https://doi.org/10.1038/ s41561-020-00651-7, 2020.