El nitrógeno es un producto candente en la superficie del océano. Los productores primarios, incluido el fitoplancton y otros microorganismos, lo consumen y lo transforman en moléculas orgánicas para construir biomasa. mientras que otros transforman formas inorgánicas para acceder a su reserva química de energía. Todos estos pasos son parte del complejo ciclo del nitrógeno de la columna de agua superior.

A unos 200 metros de profundidad, justo debajo de la zona soleada del océano, reside una capa de nitrito, un compuesto intermedio en el ciclo del nitrógeno. Los científicos han encontrado esta característica sólida, llamado el máximo de nitrito primario, en todos los océanos oxigenados del mundo. Si bien se han propuesto varias hipótesis individuales, nadie ha explicado de forma convincente esta firma marina hasta ahora.

Un reciente Comunicaciones de la naturaleza estudio dirigido por investigadores del Programa de Atmósferas, Oceans and Climate (PAOC) dentro del Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS) utiliza la teoría, modelado, y datos de observación para investigar los mecanismos ecológicos que producen la acumulación de nitrito observada y determinan su ubicación en la columna de agua. La autora principal Emily Zakem, una ex estudiante graduada de EAPS que ahora es un postdoctorado en la Universidad del Sur de California, junto con la científica investigadora principal de EAPS, Stephanie Dutkiewicz y el profesor Mick Follows, muestran que las limitaciones fisiológicas y la competencia de recursos entre el fitoplancton y los microorganismos nitrificantes en la capa iluminada por el sol puede producir este rasgo oceánico.

Regulación de la bomba biológica

A pesar de su baja concentración oceánica, El nitrito (NO2-) juega un papel clave en los ciclos globales del carbono y el nitrógeno. La mayor parte del nitrógeno del océano reside en forma inorgánica de nitrato (NO3-), cuyos productores primarios y microorganismos lo reducen químicamente para formar moléculas orgánicas. La remineralización ocurre cuando tiene lugar el proceso inverso:el fitoplancton y otras bacterias heterótrofas descomponen estos compuestos orgánicos en amonio (NH4 +), una forma de nitrógeno inorgánico. A continuación, los productores primarios pueden volver a consumir amonio, que obtienen su energía de la luz. Otros microorganismos llamados quimioautótrofos también usan el amonio tanto para producir nueva biomasa como como fuente de energía. Para hacer esto, extraen oxígeno del agua de mar y lo transforman, un proceso llamado nitrificación, que ocurre en dos pasos. Primero, los microbios convierten el amonio en nitrito y luego en nitrato.

En algún lugar a lo largo de la línea, el nitrito se ha ido acumulando en la base de la zona iluminada por el sol, lo que tiene implicaciones para la biogeoquímica oceánica. "En general, estamos tratando de entender qué controla la remineralización de la materia orgánica en el océano. Es esa remineralización la que se encarga de formar la bomba biológica, que es el almacenamiento adicional de carbono en el océano debido a la actividad biológica, "dice Zakem. Es esta fuerte influencia que tiene el nitrógeno en el ciclo global del carbono lo que capta el interés de Follows". El crecimiento de fitoplancton en nitrato se llama 'nueva producción' y eso equilibra la cantidad que se hunde fuera de la superficie y controla la cantidad de carbono se almacena en el océano. El crecimiento de fitoplancton en amonio se llama producción reciclada, que no aumenta el almacenamiento de carbono oceánico, "Sigue dice." Así que deseamos entender qué controla las tasas de suministro y consumo relativo de estas diferentes especies de nitrógeno ".

Batalla por el nitrógeno

El máximo de nitrito primario reside entre dos grupos de microorganismos en la mayoría de los océanos del mundo. Sobre él, en la zona iluminada por el sol, está el fitoplancton, y en el máximo de nitritos primarios y ligeramente por debajo de ese reposo una abundancia de microbios nitrificantes en un área con altas tasas de nitrificación. Los investigadores clasifican estos microbios en dos grupos según su fuente de nitrógeno preferida:los organismos oxidantes de amonio (AOO) y los organismos oxidantes de nitritos (NOO). En latitudes altas como las regiones subpolares de la Tierra, el nitrito se acumula en la zona iluminada por el sol de la superficie y en la zona más profunda.

Los científicos han postulado que podría haber dos razones no mutuamente excluyentes para la acumulación de nitrito:nitrificación por microbios quimioautótrofos, y cuando estresado, el fitoplancton puede reducir el nitrato a nitrito. Dado que la evidencia isotópica no respalda este último, el grupo miró al primero.

"La hipótesis de larga data era que las ubicaciones de la nitrificación estaban controladas por la inhibición de la luz de estos microorganismos [nitrificantes], por lo que los microorganismos que realizan este proceso fueron restringidos desde la superficie, "Zakem dice, lo que implica que estos quimioautótrofos nitrificantes se quemaron con el sol. Pero en lugar de asumir que eso era cierto, el grupo examinó las interacciones ecológicas entre estos y otros organismos en la superficie del océano, dejando que la dinámica caiga naturalmente. Para hacer esto, recolectaron muestras microbianas del Pacífico Norte subtropical y las evaluaron para determinar las tasas de metabolismo, eficiencias y abundancias, y evaluó las necesidades fisiológicas y las limitaciones de los diferentes microbios nitrificantes reduciendo la complejidad biológica de sus metabolismos hasta su química subyacente y, por lo tanto, planteando la hipótesis de algunas de las limitaciones más fundamentales. Utilizaron esta información para informar la dinámica de los microbios nitrificantes en un modelo biogeoquímico unidimensional y tridimensional.

El grupo descubrió que al emplear este marco, podrían resolver las interacciones entre estos quimioautótrofos nitrificantes y el fitoplancton y, por lo tanto, simular la acumulación de nitrito en el máximo de nitrito primario en las ubicaciones apropiadas. En la superficie del océano, cuando el nitrógeno inorgánico es un factor limitante, El fitoplancton y los microbios oxidantes del amonio tienen capacidades similares para adquirir amonio, pero debido a que el fitoplancton necesita menos nitrógeno para crecer y tener una tasa de crecimiento más rápida, son capaces de superar a los nitrificadores, excluyéndolos de la zona iluminada por el sol. De este modo, pudieron proporcionar una explicación ecológica de dónde ocurre la nitrificación sin tener que depender de la inhibición de la luz que dicta la ubicación.

La comparación de las fisiologías fundamentales de los nitrificantes reveló que las diferencias en el metabolismo y el tamaño de las células podrían explicar la acumulación de nitritos. Los investigadores encontraron que el segundo paso del proceso de nitrificación que llevan a cabo los oxidantes de nitritos requiere más nitrógeno para la misma cantidad de biomasa creada por estos organismos. lo que significa que los oxidantes de amoníaco pueden hacer más con menos, y que hay menos oxidantes de nitrito que oxidantes de amoniaco. Los microbios oxidantes de nitrito también tienen una mayor restricción de superficie a volumen que los microbios oxidantes de amonio más pequeños y ubicuos, dificultando la absorción de nitrógeno. "Esta es una explicación alternativa de por qué debería acumularse el nitrito, "Zakem dice." Tenemos dos razones que apuntan en la misma dirección. No podemos distinguir cuál es, pero todas las observaciones son consistentes con cualquiera de estos dos o alguna combinación de ambos siendo el control ".

Los investigadores también pudieron usar un modelo climático global para reproducir una acumulación de nitrito en la zona iluminada por el sol de lugares como regiones subpolares, donde el fitoplancton está limitado por otro recurso distinto al nitrógeno como la luz o el hierro. Aquí, los nitrificantes pueden coexistir con el fitoplancton ya que tienen más nitrógeno disponible. Adicionalmente, la capa de mezcla profunda en el agua puede extraer recursos del fitoplancton, dando a los nitrificadores una mejor oportunidad de sobrevivir en la superficie.

"Existe una hipótesis de larga data de que los nitrificadores fueron inhibidos por la luz y es por eso que solo existen en el subsuelo, "Dice Zakem." Estamos diciendo que tal vez tengamos una explicación más fundamental:que esta inhibición de la luz existe porque la hemos observado, pero eso es una consecuencia de la exclusión a largo plazo de la superficie ".

Pensando en grande

"Este estudio reunió la teoría, simulaciones numéricas, y observaciones para separar y proporcionar una descripción cuantitativa y mecanicista simple de algunos fenómenos que eran misteriosos en el océano, "Sigue dice". Eso nos ayuda a separar el ciclo del nitrógeno, que tiene un impacto en el ciclo del carbono. También ha abierto la caja para usar este tipo de herramientas para abordar otras preguntas en la oceanografía microbiana ". Señala que el hecho de que estos microbios estén desviando amonio en nitrato cerca de la zona iluminada por el sol complica la historia del almacenamiento de carbono en el océano.

Dos investigadores que no participaron en el estudio, Karen Casciotti, profesor asociado en el Departamento de Ciencias del Sistema Terrestre de la Universidad de Stanford, y Angela Landolfi, científico del departamento de modelización biogeoquímica marina del Centro GEOMAR Helmholtz de Investigación Oceánica de Kiel, de acuerdo. "Este estudio es de gran importancia ya que proporciona evidencia de cómo los rasgos individuales de los organismos afectan las interacciones competitivas entre las poblaciones microbianas y proporcionan un control directo sobre la distribución de nutrientes en el océano, ", dice Landolfi." En esencia, Zakem et al., proporcionar una mejor comprensión del vínculo entre los diferentes niveles de complejidad desde el individuo hasta la comunidad hasta el nivel ambiental, proporcionar un marco mecanicista para predecir los cambios en la composición de la comunidad y su impacto biogeoquímico bajo los cambios climáticos, "dice Landolfi.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.