Fijación biológica de óxido nitroso en los giros subtropicales del océano Pacífico (30ºN-35ºS) y en tres especies de cianobacterias diazótrofas cultivadas.

Abstract

En el océano existen extensas regiones donde el Nitrógeno (N) es el elemento limitante para productividad biológica. Este es el caso de los grandes giros subtropicales, que representan hasta un 40% de la superficie del océano mundial, y donde la Fijación Biológica de N2 (FBN2) es fundamental en el ingreso de N nuevo al sistema. Estudios recientes demuestran que los micro-organismos que fijan N2O “diazótrofos”, usan también el N2O como sustrato, el cual por su menor estabilidad molecular podría tener mayor afinidad con la enzima Nitrogenasa, implicando un menor costo energético. El uso de N2O en la FBN2 tendría un efecto mitigador sobre el Calentamiento Global, al ser un importante gas de efecto invernadero de propiedades ozonolíticas con un poder radiativo hasta 300 veces superior al del CO2. Se cuantificaron las tasas de fijación de N2 y N2O, usando trazadores isotópicos de 15N, en los giros subtropicales del Pacífico Norte y Sur (35°N-30°S), y en tres profundidades representativas de la capa fótica. Además, se estimaron flujos de N2O a través de la interface océano-atmosfera y los inventarios de NID y N2O con el objeto de evaluar la contribución relativa de la FBN2O y FBN2, como fuentes de N nuevo a la capa superficial. Además, se determinó la FBN2O en tres cianobacterias diazótrofas cultivadas, dos de ellas presentes también en los giros subtropicales (Trichodesmiun IMS 101, Crocosphaera WH 8501) y en Anabaena PCC 7120; además, en una cianobacteria no diazótrofa cultivada (Synechocystis PCC 6803) y una cepa mutada en su gen hetR no pudiendo diferenciar heterocistos, perdiendo con esto su capacidad fijadora de N (Anabaena PCC 7120 hetR) con el fin de estudiar sus respuestas fisiológicas y la actividad de la enzima Nitrogenasa frente a la disponibilidad de N2O. Los resultados indican que la FBN2O fue mayor en el Giro subtropical del Pacífico Norte (GSPN), con una tasa promedio de 5.14±0.74 nmol L-1d-1. Esto podría relacionarse con la mayor biomasa fotosintética y con la predominancia de la cianobacteria diazótrofa filamentosa Trichodesmiun sp en esa zona, según estudios previos. En el Giro Subtropical del Pacífico Sur (GSPS), la tasa promedio de FBN2O fue 1.66±0.55 nmol L-1d-1 lo que podría estar asociada a la menor biomasa fotosintética y a la mayor dominancia del micro-organismos unicelulares diazotrofos como Crocosphaera sp. Estas tasas fueron, además, mayores en superficie en ambos giros (por encima del máximo primario de clorofila) y en la base de la capa fótica (ca. 200 m con porcentaje de luz < 0.1%), donde posiblemente la FBN2O sea realizada por diazótrofos heterótrofos (actividad ya reportada en esas profundidades). Los tiempos de recambio del inventario de N2O superficial con respecto a la FBN2O varían de 3 a 44 días, encontrándose los mayores valores en el GSPS respecto al GSPN. El intercambio de este gas a través de la interface mar-atmósfera fluctuó entre -1.30 y 19.9 μmol m-2 d-1 en los giros, mientras que en la zona de convergencia intertropical llega a 28 μmol m-2 d-1, indicando que la zona se comporta como una fuente leve de este gas hacia la atmosfera, con algunas excepciones de entrada hacia las aguas superficiales (flujo negativo). El tiempo de recambio de este proceso con respecto al inventario de N2O en la capa de mezcla varió 42 días y 121 años, siendo un orden de magnitud mayor que la FBN2O y situándose como un segundo proceso de importancia en la remoción de este gas en el sistema. Los resultados en cultivos, indican una alta actividad de FBN2O, donde la cepa unicelular cultivada Crocosphaera WH 8501, presentó las mayores tasas de FBN2O (408.90±94 nmol L-1 d-1) con respecto a las cepas multicelulares como Trichodesmiun IMS101 (192.32± 19.2 nmol L-1d-1) y Anabaena PCC 7120 wt (180.6±35.1 nmol L-1). Synechocystis PCC 6809 y la mutante de Anabaena PCC 7120 para el gen hetR no presentaron enriquecimiento isotópico con respecto a la señal natural de la materia orgánica, por lo tanto se concluye que no fijan N2O, y que es la enzima Nitrogenasa es la que realiza ambos procesos de fijación (N2 y N2O). Estos resultados sugieren que a pesar de las diferentes estrategias metabólicas o morfológicas que poseen los diazótrofos, no siempre el tamaño ni ciertas ventajas estructurales son las de mayor relevancia para sus actividades diazótrofas. El que microorganismos unicelulares hayan presentado las mayores tasas de FBN2O con respecto a las cepas xiii multicelulares abre nuevas interrogantes en relación a este proceso, quedando sin abordar los factores ambientales que controlan este mecanismo. Además, se indican la importancia y ubicuidad de la FBN2O en sistemas marinos naturales, pudiendo contribuir en la entrada de N nuevo al sistema y al consumo asimilativo de N2O.