Il successo diffuso della taumarchaea marina deriva in gran parte dalla loro capacità di convertire tracce di ammoniaca in nitriti, che dà loro energia per fissare il carbonio e produrre nuova biomassa in assenza di luce. Questo processo, denominata nitrificazione, ricicla l'energia chimica originariamente derivata dalla fotosintesi delle alghe marine ed è una componente essenziale del ciclo globale dei nutrienti. Utilizzando un approccio radiotracciante, un team di ricercatori del Centro di Biologia Czech Academy of Sciences (Budweis, Cechia), MARUM—Centro per le scienze dell'ambiente marino presso l'Università di Brema (Germania), e Max Planck Institute for Marine Microbiology (Brema, Germania) ha ora determinato che gli archei fissano circa 3 moli di carbonio per ogni 10 moli di ammoniaca ossidata, e questa efficienza varia con gli adattamenti cellulari alla limitazione del fosforo.

"I Thaumarchaea sono attivi in ​​tutto l'oceano, e il loro vasto numero implica contributi significativi ai cicli globali del carbonio (C) e dell'azoto (N), "dice Travis Meador, chi è l'autore principale dello studio. "La quantità di carbonio fissata dai nitrificatori è regolata dalla quantità di azoto organico (energia) che si crea durante la fotosintesi, l'accoppiamento fisiologico della nitrificazione e dell'assimilazione del carbonio, e anche apparentemente la loro capacità di accedere al fosforo (P)."

Il team stima che questi chemioautotrofi riciclano circa il 5% del carbonio e del fosforo assimilati dalle alghe marine e rilasciano terragrammi (10 ¹² g) di sostanze organiche disciolte all'interno dell'oceano ogni anno. Questi risultati sono ora pubblicati sulla rivista Progressi scientifici .

Lascia che mangino l'ammoniaca

L'ammoniaca nell'oceano deriva dalla scomposizione della materia organica prodotta dai fototrofi nelle acque superficiali ed è una preziosa fonte di energia e nutrimento per gli eukarya, batteri, e archaea allo stesso modo. Studi di coltura del taumarchaeon Nitrosopumilus maritimus hanno precedentemente rivelato che le minuscole cellule (Ø =0,17-0,22 μm) vantano sistemi enzimatici con un'elevata affinità per l'ammoniaca e la via di fissazione del C più efficiente dal punto di vista energetico in presenza di ossigeno. "Questi adattamenti fanno di thaumarchaea il principale riciclatore di energia degli oceani, consentendo loro di competere con le loro controparti batteriche e creare una nicchia separata, in particolare nell'oceano profondo dove l'energia è limitante, " Ha detto Meador. "I nostri colleghi hanno suggerito che la maggior parte dell'N organico che viene esportato al di sotto della zona eufotica dell'oceano alla fine alimenta la nitrificazione da parte della taumarchaea. Mentre il flusso delle esportazioni globali è stato studiato per diversi decenni, non ci sono prove empiriche per accoppiare ulteriormente l'ossidazione dell'ammoniaca arcaica ai tassi globali di fissazione del C, fino ad ora."

La necessità di P

Oltre ai loro importanti contributi ai flussi chimici nella sostanza chimica dell'oceano oscuro, thaumarchaea sono in realtà più abbondanti nella zona eufotica, dove respira la maggior parte della materia organica (a CO ₂ e ammoniaca). Infatti, i maggiori accumuli di ammoniaca possono essere situati alla base della zona eufotica, dove i batteri eterotrofi si nutrono della biomassa che affonda prodotta nel caldo, superficie a strati misti e sotto, dove la temperatura dell'acqua diminuisce rapidamente con la profondità.

Questa zona, noto come termoclino, sperimenta anche grandi fluttuazioni nella concentrazione e nel tempo di ricambio di un altro nutriente chiave, fosfato (P). I ricercatori si sono quindi chiesti se l'accesso dei taumarchaeal al fosfato possa controllare i loro contributi alla produzione riciclata nell'oceano di superficie.

Interrogare gli archei con la radioattività

Introducendo radiomarcato ¹⁴ C e ³³ P al terreno di coltura, gli autori hanno potuto monitorare i tassi di C e P assimilati nelle cellule di N. maritimus e rilasciati come metaboliti organici disciolti di carbonio e fosforo (DOC e DOP) nei terreni di coltura. Normalizzando questi tassi alla nitrificazione, i ricercatori hanno generato le prime stime di C, P, DOC, e rese DOP per un archeon marino.

Il risultato di questo lavoro è che i tassi globali di fissazione del C da parte di taumarchaea ampiamente distribuiti sono probabilmente almeno tre volte superiori a quanto precedentemente ipotizzato. Anche, L'assimilazione di C e P da parte degli archei marini può ora essere modellata come direttamente proporzionale al rinomato rapporto di remineralizzazione stabilito da Alfred Redfield a metà del XX secolo. I ricercatori hanno inoltre scoperto che N. maritimus è in grado di acquisire fosfato, ma gli aumenti strategici nell'affinità del fosfato cellulare hanno avuto un costo di circa il 30% di riduzione dell'efficienza di fissazione del C. Questi risultati possono quindi spiegare i valori ad ampio raggio del tasso di nitrificazione specifico osservato sulla superficie dell'oceano. Finalmente, Meador dice, "Il rilascio di composti prodotti chemiosinteticamente da thaumarchaea è minore rispetto al notevole serbatoio di nutrienti organici disciolti nell'oceano, ma rappresenta un nuovo flusso di substrati labili in tutto l'interno dell'oceano".