Un tempo si pensava che i microbi che forniscono fertilizzante naturale agli oceani "fissando" l'azoto dall'atmosfera in una forma utilizzabile da altri organismi fossero limitati alle calde acque tropicali e subtropicali. Ora, però, i ricercatori hanno documentato la fissazione dell'azoto da parte di un insolito tipo di cianobatteri nelle fredde acque dei mari di Bering e Chukchi.

"Questo va contro tutte le ipotesi dei libri di testo su dove si verifica la fissazione dell'azoto. Tutti i modelli matematici per l'immissione di azoto negli oceani sono vincolati dalla temperatura a causa di questa ipotesi sottostante, " ha detto Jonathan Zehr, professore di scienze oceaniche presso l'UC Santa Cruz e autore senior di un articolo sulle nuove scoperte pubblicato lunedì, 10 dicembre in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Katie Harding, uno studente laureato nel laboratorio di Zehr e primo autore dell'articolo, spiegò che in molte parti degli oceani, la produttività è limitata dalla disponibilità di azoto. "La fissazione dell'azoto alimenta la catena alimentare in alcune aree, quindi è importante capire quali sono tutte le fonti, " lei disse.

La fissazione dell'azoto Harding scoperta nell'Artico è effettuata da un organismo chiamato UCYN-A, che è stato scoperto per la prima volta dal gruppo di Zehr nell'oceano aperto vicino alle Hawaii. Dopo aver trovato la prova del DNA di un microbo che fissa l'azoto precedentemente sconosciuto, Il laboratorio di Zehr alla fine lo ha identificato come un tipo di cianobatteri stranamente privo della capacità di fotosintesi. Finalmente, nel 2012, hanno scoperto che vive in stretta simbiosi con un tipo di piccolo, alghe unicellulari. In questa partnership reciprocamente vantaggiosa, UCYN-A fornisce azoto fisso mentre l'alga aptofita fornisce carbonio fisso attraverso la fotosintesi.

Nel frattempo, Zehr e altri ricercatori stavano trovando l'UCYN-A appena scoperto in aree sempre più estese dell'oceano, prima nelle acque costiere e poi nelle acque più a nord dello stretto danese. UCYN-A non può essere coltivato in laboratorio, ma può essere identificato e isolato da campioni di acqua utilizzando sofisticate tecniche di selezione cellulare e sequenziamento genico.

Il nuovo studio mostra non solo che può esistere nell'Artico, ma che è funzionale e fissa l'azoto nelle acque artiche con temperature inferiori a 4 gradi Celsius (40 gradi Farhrenheit). "Non sono solo le cellule che si spostano nell'Artico sulle correnti oceaniche. È attivo, ed è l'unico vero fissatore di azoto cianobatterico nell'Artico, " ha detto Zehr.

I cianobatteri (un tempo denominati erroneamente alghe blu-verdi) sono batteri che possono fotosintetizzare come le piante, anche se UCYN-A sembra aver perso questa capacità. Solo alcuni cianobatteri sono in grado di fissare l'azoto, tra cui Trichodesmio, che un tempo si pensava fosse la principale fonte di fissazione dell'azoto in mare aperto. tricodesmio, però, non cresce in acque più fredde di 20 gradi Celsius (68 gradi Fahrenheit).

"È difficile misurare i tassi di fissazione dell'azoto nei campioni di acqua e dire quale organismo fa quanto, ma sospetto che se dovessi sommare la fissazione dell'azoto globale di UCYN-A, è una fonte sostanziale e forse la più grande di azoto nell'oceano, " ha detto Zehr.

Sebbene non sia stato ancora trovato nell'Oceano Antartico intorno all'Antartide, Zehr ha detto che probabilmente è il prossimo posto in cui lo cercherà. Quando i suoi collaboratori al Virginia Institute of Marine Science hanno proposto per la prima volta di cercare nell'Artico, era titubante. "Non mi aspettavo affatto di trovare molta fissazione dell'azoto, per non parlare dei cianobatteri che fissano l'azoto. Va solo a mostrare, non lo sai finché non guardi, " Egli ha detto.

"Una delle domande interessanti da un punto di vista biologico è come l'UCYN-A possa tollerare un intervallo di temperature così ampio, soprattutto quando l'intervallo di temperatura per Trichodesmium è così stretto, "Ha detto Harding.

Durante una crociera di ricerca fuori da Nome, Alaska, a settembre 2016, Harding e altri membri del team hanno raccolto e processato campioni di acqua per l'analisi in laboratorio. L'elaborazione a bordo includeva l'incubazione dei campioni con azoto-15 in modo che l'azoto appena fissato fosse etichettato con l'isotopo pesante. Ciò ha consentito ai ricercatori di misurare i tassi di fissazione dell'azoto e di dimostrare che UCYN-A fissava attivamente l'azoto. Tornato in laboratorio, hanno usato l'etichettatura fluorescente per identificare UCYN-A e una tecnica avanzata di spettrometria di massa per rilevare l'azoto-15 nelle cellule di UCYN-A e del suo simbionte algale.

I tassi di fissazione dell'azoto misurati nel mare di Chukchi erano relativamente bassi, ma i tassi nel Mare di Bering (a 10 gradi Celsius) erano simili a quelli misurati in acque molto più calde. La fissazione dell'azoto da parte dell'UCYN-A rappresentava tutta la fissazione dell'azoto misurata nel Mare di Bering, ma rappresentava solo una frazione del totale nel Mare di Chukchi.

"I tassi nell'Artico sono piuttosto bassi, quindi UCYN-A potrebbe non essere molto importante ora. Ma se il riscaldamento dell'Artico continua, diventerà sempre più importante come fonte di azoto negli ecosistemi artici, " ha detto Zehr.