Одновременная сульфатредукция и нитратредукция в прибрежных отложениях

Aug 16, 2023

ISME Communications, том 3, номер статьи: 17 (2023 г.) Цитировать эту статью

1565 Доступов

15 Альтметрика

Подробности о метриках

Колеблющиеся окислительно-восстановительные условия, которые характеризуют прибрежные песчаные отложения, способствуют развитию микробных сообществ, способных одновременно дышать кислородом и нитратами, тем самым увеличивая потенциал реминерализации органических веществ, потери азота (N) и выбросов парникового газа закиси азота. Неизвестно, в какой степени эти условия также приводят к перекрытию диссимиляционного нитратного и сульфатного дыхания. Здесь мы показываем, что дыхание сульфатов и нитратов происходит одновременно в поверхностных отложениях песчаной отмели приливной зоны. Кроме того, мы обнаружили сильную корреляцию между диссимиляционным восстановлением нитрита до аммония (ДНРА) и скоростью восстановления сульфата. До сих пор считалось, что циклы азота и серы в морских отложениях в основном связаны с активностью нитратредуцирующих сульфидных окислителей. Однако транскриптомный анализ показал, что ген функционального маркера ДНКРА (nrfA) больше связан с микроорганизмами, которые, как известно, восстанавливают сульфат, а не окисляют сульфид. Наши результаты показывают, что когда нитрат поступает в отложения в результате приливного наводнения, часть сульфатредуцирующего сообщества может переключить респираторную стратегию на DNRA. Следовательно, увеличение скорости восстановления сульфатов in-situ может привести к усилению ДНКРА и снижению скорости денитрификации. Примечательно, что переход от денитрификации к DNRA не повлиял на количество N2O, вырабатываемого денитрификаторами. Наши результаты подразумевают, что микроорганизмы, классически считающиеся восстановителями сульфатов, контролируют потенциал ДНКРА в прибрежных отложениях, когда окислительно-восстановительные условия колеблются, и, следовательно, сохраняют аммоний, который в противном случае был бы удален в результате денитрификации, усугубляя эвтрофикацию.

Водопроницаемые песчаные отложения, окаймляющие береговую линию, действуют как высокоэффективные биокаталитические фильтры, которые реминерализуют органический углерод и удаляют связанный азот посредством денитрификации [1,2,3,4,5]. Микробные сообщества, катализирующие биогеохимические преобразования в проницаемых осадках, подвержены частым колебаниям запаса акцепторов электронов, при этом глубина проникновения в осадок кислорода и нитратов может меняться за считанные минуты [6,7,8,9,10]. Эти колебания обусловлены изменениями адвекции поровых вод в результате изменения приливных течений, волн, формы поверхности песчаного дна, а также биотурбации и биоорошения [4, 11, 12]. В более длительных временных масштабах сильные течения и штормы мобилизуют песчаные отложения, перераспределяя песчинки и прикрепленные к ним микроорганизмы между слоями отложений [13,14,15,16,17].

Многие микроорганизмы в проницаемых отложениях, по-видимому, адаптированы к колеблющимся кислородным и бескислородным условиям [18]. К таким адаптациям относится метаболическая специализация организмов, участвующих в процессе денитрификации, что приводит к удалению нитратов, а также к значительным выбросам закиси азота [19, 20]. Более того, быстрые изменения окислительно-восстановительных условий и доступности акцепторов электронов приводят к тому, что микроорганизмы одновременно используют терминальные оксидазы и N-редуктазы. Это приводит к одновременному протеканию процессов денитрификации и аэробного дыхания, которые обычно пространственно или временно разделены в отложениях, ограниченных диффузией [10, 18, 19]. Потенциально, сульфатредукция и нитратредукция также могут происходить одновременно в поверхностных отложениях, куда периодически поступает нитрат [21], или даже сульфатредукция и кислородное дыхание. Однако потенциальные взаимодействия между одновременным восстановлением сульфатов и путями восстановления нитратов в проницаемых отложениях остаются неизученными.

Обычно микроорганизмы морских отложений используют разные акцепторы электронов по глубине, в основном в соответствии с их уменьшающимся энергетическим выходом, что часто приводит к кажущемуся пространственному разделению сульфатредукции от нитратредукции [22,23,24]. Это разделение, вероятно, поддерживается за счет конкурентного исключения, при котором N-восстановители превосходят сульфатредукторы, поскольку они сохраняют больше энергии на один пожертвованный электрон [24,25,26,27]. Более того, накопление нитритов, которое, как наблюдалось, происходит из-за метаболической специализации в песках [20], также может конкурентно ингибировать сульфитредуктазу, фермент, имеющий решающее значение для восстановления сульфатов [28, 29]. Тем не менее, сульфатредукция и денитрификация могут быть связаны через микробную активность [22]. Например, микробы могут преодолевать расстояние между сульфидными и богатыми нитратами осадками посредством миграции [30] или электрогенных пилей и осуществлять окисление сульфидов в сочетании с восстановлением нитратов [31, 32]. Поэтому, когда восстановление нитратов сочетается с полным окислением сульфидов, восстановление сульфатов может быть недооценено [33,34,35,36].