O nitrogênio é um produto importante na superfície do oceano. Os produtores primários, incluindo fitoplâncton e outros microrganismos, consomem e transformam em moléculas orgânicas para construir biomassa, enquanto outros transformam formas inorgânicas para acessar seu estoque químico de energia. Todas essas etapas fazem parte do complexo ciclo do nitrogênio da coluna d'água superior.

Cerca de 200 metros abaixo, logo abaixo da zona ensolarada do oceano, reside uma camada de nitrito, um composto intermediário no ciclo do nitrogênio. Os cientistas descobriram este recurso robusto, chamado de nitrito primário máximo, em todos os oceanos oxigenados do mundo. Embora várias hipóteses individuais tenham sido apresentadas, ninguém explicou de forma convincente essa assinatura marinha até agora.

Um recente Nature Communications estudo liderado por pesquisadores do Programa em Atmosferas, Oceanos e Clima (PAOC) dentro do Departamento da Terra do MIT, Ciências Atmosféricas e Planetárias (EAPS) usa a teoria, modelagem, e dados observacionais para investigar os mecanismos ecológicos que produzem o acúmulo de nitrito observado e ditam sua localização na coluna d'água. A autora principal Emily Zakem - uma ex-estudante graduada da EAPS que agora é pós-doutoranda na University of Southern California - junto com a principal pesquisadora da EAPS Stephanie Dutkiewicz e o professor Mick Follows mostram que as restrições fisiológicas e a competição de recursos entre o fitoplâncton e os microrganismos nitrificantes na camada iluminada pelo sol pode produzir essa característica do oceano.

Regulando a bomba biológica

Apesar de sua baixa concentração oceânica, nitrito (NO2-) desempenha um papel fundamental nos ciclos globais de carbono e nitrogênio. A maior parte do nitrogênio do oceano reside na forma inorgânica de nitrato (NO3-), quais produtores primários e microorganismos o reduzem quimicamente para construir moléculas orgânicas. A remineralização ocorre quando o processo reverso ocorre:o fitoplâncton e outras bactérias heterotróficas decompõem esses compostos orgânicos em amônio (NH4 +), uma forma de nitrogênio inorgânico. O amônio pode então ser consumido novamente pelos produtores primários, que obtêm sua energia da luz. Outros microrganismos chamados quimioautotróficos também usam o amônio para fazer nova biomassa e como fonte de energia. Para fazer isso, eles extraem oxigênio da água do mar e o transformam, um processo chamado nitrificação, que ocorre em duas etapas. Primeiro, os micróbios convertem amônio em nitrito e depois em nitrato.

Em algum lugar ao longo da linha, nitrito tem se acumulado na base da zona iluminada pelo sol, que tem implicações para a biogeoquímica dos oceanos. "Em termos gerais, estamos tentando entender o que controla a remineralização da matéria orgânica no oceano. É essa remineralização que é responsável por formar a bomba biológica, que é o armazenamento extra de carbono no oceano devido à atividade biológica, "diz Zakem. É essa forte influência que o nitrogênio tem no ciclo global do carbono que captura o interesse do Follows." O crescimento do fitoplâncton sobre o nitrato é chamado de 'nova produção' e equilibra a quantidade que está afundando na superfície e controla a quantidade de carbono é armazenado no oceano. O crescimento do fitoplâncton na amônia é chamado de produção reciclada, que não aumenta o armazenamento de carbono no oceano, "Segue, diz." Portanto, queremos entender o que controla as taxas de oferta e consumo relativo dessas diferentes espécies de nitrogênio. "

Batalha por nitrogênio

O nitrito primário máximo reside entre dois grupos de microrganismos na maioria dos oceanos do mundo. Acima dele, na zona iluminada pelo sol, estão o fitoplâncton, e no nitrito primário máximo e ligeiramente abaixo disso repousa uma abundância de micróbios nitrificantes em uma área com altas taxas de nitrificação. Os pesquisadores classificam esses micróbios em dois grupos com base em sua fonte preferida de nitrogênio:os organismos oxidantes de amônio (AOO) e os organismos oxidantes de nitrito (NOO). Em altas latitudes, como as regiões subpolares da Terra, o nitrito se acumula na zona iluminada pelo sol da superfície, bem como nas profundezas.

Os cientistas postularam que pode haver duas razões não mutuamente exclusivas para o acúmulo de nitrito:Nitrificação por micróbios quimioautotróficos, e quando estressado, o fitoplâncton pode reduzir o nitrato a nitrito. Uma vez que a evidência isotópica não apóia o último, o grupo olhou para o primeiro.

"A hipótese de longa data era que os locais de nitrificação eram controlados pela inibição da luz desses microrganismos [nitrificantes], então os microrganismos que realizam este processo foram restringidos da superfície, "Zakem diz, implicando que esses quimioautotróficos nitrificantes foram queimados pelo sol. Mas em vez de presumir que era verdade, o grupo examinou as interações ecológicas entre esses e outros organismos na superfície do oceano, deixando a dinâmica cair naturalmente. Para fazer isso, eles coletaram amostras microbianas da região subtropical do Pacífico Norte e as avaliaram quanto às taxas de metabolismo, eficiências e abundâncias, e avaliou as necessidades fisiológicas e restrições dos diferentes micróbios nitrificantes, reduzindo a complexidade biológica de seus metabolismos até sua química subjacente e, assim, hipotetizando algumas das restrições mais fundamentais. Eles usaram essas informações para informar a dinâmica dos micróbios nitrificantes em um modelo biogeoquímico unidimensional e tridimensional.

O grupo descobriu que, ao empregar essa estrutura, eles poderiam resolver as interações entre esses quimioautotróficos nitrificantes e o fitoplâncton e, portanto, simular o acúmulo de nitrito no máximo de nitrito primário nos locais apropriados. Na superfície do oceano, quando o nitrogênio inorgânico é um fator limitante, O fitoplâncton e os micróbios oxidantes de amônio têm habilidades semelhantes para adquirir amônio, mas porque o fitoplâncton precisa de menos nitrogênio para crescer e tem uma taxa de crescimento mais rápida, eles são capazes de superar os nitrificadores, excluindo-os da zona iluminada pelo sol. Desta maneira, eles foram capazes de fornecer uma explicação ecológica para onde ocorre a nitrificação sem ter que depender da inibição da luz ditando a localização.

A comparação das fisiologias fundamentais dos nitrificadores revelou que as diferenças no metabolismo e no tamanho das células podem ser responsáveis ​​pelo acúmulo de nitrito. Os pesquisadores descobriram que a segunda etapa do processo de nitrificação realizada pelos oxidantes de nitrito requer mais nitrogênio para a mesma quantidade de biomassa criada por esses organismos, o que significa que os oxidantes de amônia podem fazer mais com menos, e que há menos oxidantes de nitrito do que oxidantes de amônia. Os micróbios oxidantes de nitrito também têm uma maior restrição de superfície para volume do que os micróbios oxidantes de amônio menores e onipresentes, tornando a absorção de nitrogênio mais difícil. "Esta é uma explicação alternativa para o porquê de o nitrito se acumular, "Diz Zakem." Temos duas razões que apontam na mesma direção. Não podemos distinguir qual é, mas todas as observações são consistentes com qualquer um desses dois ou alguma combinação de ambos sendo o controle. "

Os pesquisadores também foram capazes de usar um modelo climático global para reproduzir um acúmulo de nitrito na zona iluminada pelo sol de lugares como regiões subpolares, onde o fitoplâncton é limitado por outro recurso diferente do nitrogênio, como luz ou ferro. Aqui, nitrificadores podem coexistir com o fitoplâncton, uma vez que há mais nitrogênio disponível para eles. Adicionalmente, a camada de mistura profunda na água pode tirar recursos do fitoplâncton, dando aos nitrificadores uma chance melhor de sobrevivência na superfície.

"Há uma hipótese de longa data de que os nitrificadores foram inibidos pela luz e é por isso que eles só existem na subsuperfície, "Diz Zakem." Estamos dizendo que talvez tenhamos uma explicação mais fundamental:que essa inibição da luz existe porque a observamos, mas isso é uma consequência da exclusão de longo prazo da superfície. "

Pensando maior

"Este estudo reuniu teoria, simulações numéricas, e observações para separar e fornecer uma descrição quantitativa e mecanicista simples para alguns fenômenos que eram misteriosos no oceano, "Follows diz." Isso nos ajuda a separar o ciclo do nitrogênio, que tem impacto no ciclo do carbono. Ele também abriu a caixa para usar esse tipo de ferramenta para resolver outras questões na oceanografia microbiana. ”Ele observa que o fato de que esses micróbios estão desviando amônio para nitrato perto da zona iluminada pelo sol complica a história do armazenamento de carbono no oceano.

Dois pesquisadores que não estavam envolvidos no estudo, Karen Casciotti, professor associado do Departamento de Ciência do Sistema Terrestre da Universidade de Stanford, e Angela Landolfi, um cientista do departamento de modelagem biogeoquímica marinha do GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel, aceita. "Este estudo é de grande importância, pois fornece evidências de como as características individuais dos organismos afetam as interações competitivas entre as populações microbianas e fornece um controle direto sobre a distribuição de nutrientes no oceano, "diz Landolfi." Em essência, Zakem et al., fornecer uma melhor compreensão da ligação entre os diferentes níveis de complexidade do indivíduo para a comunidade até o nível ambiental, fornecer uma estrutura mecanística para prever mudanças na composição da comunidade e seu impacto biogeoquímico sob mudanças climáticas, "diz Landolfi.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.