Le specie reattive dell'ossigeno influenzano il potenziale dei processi di mineralizzazione negli appartamenti intercotidali permeabili

Nature Communications volume 14, numero articolo: 938 (2023) Citare questo articolo

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I sedimenti permeabili intercotidali sono siti cruciali per la rimineralizzazione della materia organica. Questi sedimenti hanno probabilmente una grande capacità di produrre specie reattive dell’ossigeno (ROS) a causa dello spostamento delle interfacce ossico-anossiche e dell’intenso ciclo ferro-zolfo. Qui, mostriamo che alte concentrazioni di perossido di idrogeno ROS sono presenti nei sedimenti intertidali utilizzando microsensori e analisi chemiluminescenti sull'acqua interstiziale estratta. Investighiamo inoltre l'effetto dei ROS sui potenziali tassi di processi di degradazione microbica nei sedimenti superficiali intercotidali dopo l'ossigenazione transitoria, utilizzando liquami che sono passati dalle condizioni ossiche a quelle anossiche. La rimozione enzimatica dei ROS aumenta fortemente la velocità di respirazione aerobica, riduzione dei solfati e accumulo di idrogeno. Concludiamo che i ROS si formano nei sedimenti e successivamente moderano i tassi del processo di mineralizzazione microbica. Sebbene la riduzione dei solfati sia completamente inibita nel periodo ossico, riprende immediatamente dopo l'anossia. Questo studio dimostra i forti effetti dei ROS e dell'ossigenazione transitoria sulla biogeochimica dei sedimenti intercotidali.

Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) sono intermedi contenenti ossigeno di breve durata con durate da secondi a ore, inclusi superossido, perossido di idrogeno e radicali idrossilici. Sono formati da una varietà di processi fotochimici, abiotici e biotici1. La formazione biotica avviene sia a livello intracellulare che extracellulare come sottoprodotto di meccanismi metabolici e di altri meccanismi fisiologici2. Oltre ai percorsi fotochimici, numerosi processi abiotici indipendenti dalla luce possono portare alla formazione di ROS, inclusa l'ossidazione del solfuro e del ferro ferroso (Fe2+)3,4, nonché reazioni anaerobiche con pirite5. I ROS intracellulari possono danneggiare componenti cellulari come DNA, proteine ​​e lipidi attraverso una serie di processi ossidativi6, e quindi essere dannosi per i microrganismi a livelli elevati. Tuttavia, sia i ROS intracellulari che quelli extracellulari hanno anche ruoli benefici, tra cui la resistenza ai patogeni7, l'acquisizione di nutrienti8, la crescita microbica9 e come molecole di segnalazione10. Pertanto, i livelli di ROS sono strettamente controllati da enzimi degradanti2, come la superossido dismutasi, che converte il superossido in perossido di idrogeno, e la catalasi, che converte il perossido di idrogeno in ossigeno e acqua. Anche i meccanismi guidati dai donatori di elettroni degradano attivamente i ROS, ad esempio attraverso reazioni con metalli e materiale organico11.

Nonostante il grande potenziale dei ROS di influenzare i processi microbici, la distribuzione dei ROS, compreso il perossido di idrogeno, nei sedimenti marini è poco studiata. Ad oggi, solo pochi studi hanno studiato le concentrazioni di perossido di idrogeno nei sedimenti12 e la maggior parte di questi si è concentrata sul potenziale dei sedimenti di generare perossido di idrogeno in seguito all'ossigenazione o all'esposizione al solfuro3. Studi su terreni anossici e sedimenti acquiferi hanno mostrato un grande potenziale per la generazione di ROS durante la riossigenazione e hanno anche dimostrato che i ROS influiscono direttamente sull'evoluzione della CO213,14,15,16,17. Poiché è stato dimostrato che il perossido di idrogeno ha effetti sia stimolatori che inibitori sui microrganismi6,7,10, può influenzare notevolmente il ciclo del carbonio nei sedimenti marini.

In particolare durante gli eventi di disturbo e alle interfacce ossico-anossiche, che si verificano frequentemente nei sedimenti permeabili intercotidali, si prevedono livelli elevati di ROS12,16,17,18,19,20. La profondità alla quale l'ossigeno penetra nei sedimenti permeabili intercotidali varia a seconda delle maree, delle correnti, delle tempeste e della bioturbazione21. La zona ossica può spostarsi da diversi mm a diversi cm di profondità più volte al giorno22. Tuttavia, gli anaerobi nel sedimento superiore mantengono alti tassi di riduzione dei solfati, riduzione dissimilente dei nitrati, fermentazione e altri processi anaerobici23,24,25. Gli elevati tassi di rimineralizzazione del carbonio e dell'azoto rendono questi sedimenti filtri biocatalitici21,26, essenziali per il funzionamento degli ecosistemi di acque poco profonde. Di conseguenza, i ROS potrebbero svolgere un ruolo non apprezzato nella biogeochimica dei sedimenti costieri dinamici.