O amplo sucesso da thaumarchaea marinha decorre em grande parte de sua capacidade de converter traços de concentração de amônia em nitrito, o que lhes dá energia para fixar carbono e produzir nova biomassa na ausência de luz. Este processo, denominado nitrificação, recicla a energia química originalmente derivada da fotossíntese por algas marinhas e é um componente essencial da ciclagem global de nutrientes. Usando uma abordagem de radiotraçador, uma equipe de pesquisadores do Centro de Biologia da Academia de Ciências Tcheca (Budweis, Czechia), MARUM — Centro de Ciências Ambientais Marinhas da Universidade de Bremen (Alemanha), e Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha (Bremen, Alemanha) determinou que as arquéias fixam cerca de 3 moles de carbono para cada 10 moles de amônia oxidada, e esta eficiência varia com as adaptações celulares à limitação do fósforo.

"Thaumarchaea são ativos em todo o oceano, e seu grande número implica contribuições significativas para os ciclos globais de carbono (C) e nitrogênio (N), "diz Travis Meador, quem é o autor principal do estudo. "A quantidade de carbono fixada pelos nitrificadores é regulada pela quantidade de nitrogênio orgânico (energia) que é criada durante a fotossíntese, o acoplamento fisiológico de nitrificação e assimilação de carbono, e também, aparentemente, sua capacidade de acesso ao fósforo (P). "

A equipe estima que esses quimioautótrofos reciclam aproximadamente 5% do carbono e fósforo assimilado por algas marinhas e liberam terragramas (10 ¹² g) de orgânicos dissolvidos para o interior do oceano a cada ano. Essas descobertas agora estão publicadas na revista Avanços da Ciência .

Deixe-os comer amônia

A amônia no oceano deriva da decomposição da matéria orgânica produzida por fotótrofos nas águas superficiais e é uma valiosa fonte de energia e nutrição para os eucariotos, bactérias, e archaea semelhantes. Estudos de cultura do thaumarchaeon Nitrosopumilus maritimus revelaram anteriormente que as células minúsculas (Ø =0,17-0,22 μm) possuem sistemas enzimáticos com alta afinidade pela amônia e a via de fixação de C mais eficiente em termos de energia na presença de oxigênio. "Essas adaptações tornam thaumarchaea a principal recicladora de energia dos oceanos, permitindo que eles superem suas contrapartes bacterianas e criem um nicho separado, particularmente no oceano profundo, onde a energia é limitante, "Meador disse." Nossos colegas sugeriram que a maior parte do N orgânico que é exportado abaixo da zona eufótica do oceano eventualmente alimenta a nitrificação por thaumarchaea. Embora o fluxo de exportação global tenha sido investigado por várias décadas, não houve nenhuma evidência empírica para acoplar ainda mais a oxidação da amônia arqueada às taxas globais de fixação de C, até agora."

A necessidade de P

Além de suas importantes contribuições para os fluxos químicos no oceano escuro, thaumarchaea são mais abundantes na zona eufótica, onde a maioria da matéria orgânica é respirada (para CO ₂ e amônia). Na verdade, os maiores acúmulos de amônia podem estar situados na base da zona eufótica, onde bactérias heterotróficas se alimentam da biomassa que se afunda produzida no calor, superfície de camada mista e abaixo, onde as temperaturas da água diminuem rapidamente com a profundidade.

Esta zona, conhecido como termoclina, também experimenta grandes flutuações na concentração e no tempo de rotação de outro nutriente chave, fosfato (P). Os pesquisadores, portanto, questionaram se o acesso da taumarcha ao fosfato pode controlar suas contribuições para a produção de reciclados na superfície do oceano.

Interrogando arquéias com radioatividade

Ao introduzir radiomarcado ¹⁴ C e ³³ P para o meio de cultura, os autores puderam rastrear as taxas de C e P assimilados em células de N. maritimus e liberados como metabólitos de carbono orgânico dissolvido e fósforo (DOC e DOP) em meio de cultura. Normalizando essas taxas para nitrificação, os pesquisadores geraram as primeiras estimativas de C, P, DOC, e rendimentos DOP para um archaeon marinho.

O resultado deste trabalho é que as taxas globais de fixação de C por thaumarchaea amplamente distribuídas são provavelmente pelo menos três vezes mais altas do que o assumido anteriormente. Também, A assimilação de C e P por arquéias marinhas pode agora ser modelada como diretamente proporcional à taxa de remineralização conhecida estabelecida por Alfred Redfield em meados do século 20. Os pesquisadores descobriram ainda que N. maritimus é capaz de adquirir fosfato, mas os aumentos estratégicos na afinidade do fosfato celular tiveram um custo de redução de aproximadamente 30% na eficiência de fixação de C. Esses resultados podem, portanto, explicar os valores amplamente variados da taxa de nitrificação específica observada ao longo da superfície do oceano. Finalmente, Meador diz, "A liberação de compostos quimiossinteticamente manufaturados pela thaumarchaea é menor em comparação com o reservatório substancial de nutrientes orgânicos dissolvidos no oceano, mas representa um novo fluxo de substratos lábeis em todo o interior do oceano. "