Assenza dell'effetto dell'ossigeno sulla struttura microbica e sulla produzione di metano durante gli eventi di essiccazione e riumidificazione

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16570 (2022) Citare questo articolo

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Gli ambienti naturali con drenaggio frequente sperimentano eventi di essiccazione e riumidificazione che impongono fluttuazioni nella disponibilità di acqua e nell'esposizione all'ossigeno. Questi cicli relativamente drammatici hanno un impatto profondo sull’attività microbica nell’ambiente e sulle conseguenti emissioni di metano e anidride carbonica. In questo studio, abbiamo imitato gli eventi di essiccazione e riumidificazione sottoponendo comunità metanogeniche provenienti da ambienti strettamente anaerobici (digestori anaerobici) con diverse strutture filogenetiche a eventi di essiccazione consecutivi in ​​condizioni aerobiche (aria) e anaerobiche (azoto) seguiti da riumidificazione. Abbiamo dimostrato che la produzione di metano si riprendeva rapidamente dopo ogni riumidificazione e, sorprendentemente, non è stata osservata alcuna differenza significativa tra gli effetti degli eventi di essiccazione aerobica o anaerobica. Si è verificato un leggero cambiamento nella struttura della comunità microbica e una diminuzione dei tassi di produzione di metano dopo l'essiccazione e la riumidificazione consecutive, che possono essere attribuiti a un esaurimento del pool di materia organica disponibile o all'inibizione delle comunità metanogeniche. Queste osservazioni indicano che rispetto agli eventi di essiccazione e riumidificazione o all’esposizione all’ossigeno, la struttura filogenetica iniziale e la quantità e qualità della materia organica hanno mostrato un’influenza più forte sulle comunità metanogeniche e sulle risposte complessive della comunità microbica. Questi risultati cambiano l’attuale paradigma della sensibilità dei microrganismi anaerobici stretti all’esposizione all’ossigeno.

Gli ambienti naturali con drenaggio frequente sono soggetti a eventi di essiccazione e riumidificazione che impongono una fluttuazione nell'esposizione all'ossigeno (O2) causata da drastici cambiamenti nella falda freatica. Si ritiene generalmente che gli anaerobi stretti abbiano una bassa tolleranza all'O2, ma possono applicare diverse strategie per far fronte a tale esposizione all'O2, ad esempio formando stadi di riposo o producendo enzimi che disattivano le specie reattive dell'ossigeno (ROS)1. Inoltre, i metanogeni, sebbene considerati microrganismi sensibili all’O2, hanno dimostrato di avere una capacità di recupero all’esposizione all’O2 promossa dall’essiccazione. I metanogeni sono stati spesso trovati in ambienti ossidativi come i terreni anossici delle risaie che sono spesso drenati dall'aria, e geni antiossidanti come il gene della catalasi (KAT) sono stati rilevati anche nei loro genomi, specialmente in quelli dei metanogeni di classe II, ad es. , Methanosarcina barkeri, Methanobrevibacter arboriphilus e Methanocellales, che mostrano anch'essi aerotolleranza2,3. Inoltre, è stata segnalata una maggiore resistenza allo stress ossidativo in Methanocellales, Methanomicrobiales e Methanosarcinales, rispetto ai metanogeni di classe I (ad esempio, Methanopyrales, Methanobacteriales e Methanococcales). Questa resistenza potrebbe essere attribuita alla loro capacità di contrastare il danno causato dall'O2 e dai reattivi specie dell'ossigeno (ROS) attraverso meccanismi di difesa/riparazione potenziati, come un livello di espressione più diversificato e più elevato di enzimi antiossidanti e lo sviluppo di un nuovo percorso di eliminazione di O2/ROS2. Pertanto, è stato recentemente proposto che la teoria relativa all'intolleranza all'O2 nei la microbiologia dovrebbe essere modificata, vale a dire che alcuni taxa di metanogeni anaerobici stretti possano sopravvivere in condizioni ossiche4. Inoltre, è stato dimostrato che la loro funzione si riprende rapidamente, come evidenziato dall’aumento della degradazione della materia organica e della produzione di metano dopo l’essiccazione dei sedimenti di acqua dolce seguita dalla riumidificazione5. Non è chiaro quale fattore ambientale possa contribuire a questo recupero, ma sono stati segnalati cambiamenti nelle comunità microbiche sedimentarie dopo l'essiccazione e la riumidificazione6, che erano distinti per sedimenti di diversa origine. Questa osservazione ha portato a formulare ipotesi sul potenziale effetto di diverse fonti organiche sulla risposta microbica all’essiccazione4, poiché l’essiccazione e la riumidificazione dell’aria potrebbero influenzare le caratteristiche della materia organica7. Allo stesso modo, è stato osservato che la mineralizzazione della materia organica aumentava in seguito all'essiccazione e alla riumidificazione del suolo a causa di una maggiore solubilizzazione della materia organica e della disgregazione degli aggregati del suolo8. Al contrario, Hernandez et al. (2019) hanno osservato che, rispetto all’effetto di essiccazione e riumidificazione, l’effetto della sostanza organica del suolo sulla comunità microbica era minore9. Conrad (2020) ha proposto che l'insensibilità metanogenica all'essiccamento e all'esposizione all'O2 potrebbe essere una spiegazione plausibile per questi risultati contrastanti e ha ipotizzato che la resistenza agli ossidanti di una comunità microbica anaerobica potrebbe essere ottenuta o migliorata mediante l'essiccazione e la riumidificazione stagionale/periodica degli ecoambienti nativi4 .