Sustancias húmicas como mediadores redox durante la oxidación anaerobia de metano y la reducción de óxido nitroso por la microbiota de un sedimento de un humedal costero

Abstract

"Los humedales son la fuente natural principal de emisiones de metano (CH4), el cual resulta del equilibrio entre procesos microbianos como la metanogénesis y la metanotrofia, misma que bajo condiciones anaerobias, puede ser sustentada a través de la reducción de sulfatos, óxidos de hierro y sustancias húmicas (SH). Otra característica primordial de estos ecosistemas, son las grandes cantidades de materia orgánica natural almacenadas en sus sedimentos, soportando la producción de sustancias húmicas (SH). A la fecha, existe evidencia sobre la actividad de los grupos quinona presentes en las SH, quienes pueden actuar como mediadores redox en los ciclos biogeoquímicos. Por otro lado, el óxido nitroso (N2O) es el tercer gas más importante dentro de los gases de efecto invernadero (GEI). Biológicamente, el único sumidero de N2O conocido hasta hoy, es la reducción de N2O a gas N2, esto dentro del último paso de la desnitrificación. Dicha reacción está mediada por la enzima del óxido nitroso reductasa, que está codificada por el gen nosZ. Debido al incremento substancial en las concentraciones atmosféricas de ambos gases, resulta crítico esclarecer la función de las SH, de ecosistemas acuáticos, sobre la mitigación de las emisiones de CH4 y N2O de manera simultánea; lo que implicaría una potencial contribución a los ciclos de carbono (C) y nitrógeno (N) que hasta la fecha ha sido ignorada. En este estudio, se evaluó la capacidad de la comunidad microbiana, presente en el sedimento del humedal Sisal, para llevar a cabo la oxidación anaerobia del metano (OAM) acoplada a la reducción de óxido nitroso (RON) mediada por SH externas. Para el objetivo anterior, sedimentos frescos, recolectados del humedal de Sisal, Yucatán, México, fueron incubados en microcosmos bajo una atmósfera de argón. Las muestras se enriquecieron con 13CH4 y 15N2O y una fuente externa de SH, Pahokee Peat (PP), fue agregada. El consumo y producción de ambos gases fue monitoreada por GC-MS. Finalmente, el gen funcional nosZ fue clonado y secuenciado. Dos ciclos de oxidación-reducción fueron evaluados. Los resultados evidenciaron el impacto positivo, sobre la velocidad de consumo de 15N2O, propiciado por SH-PP en todos los tratamientos que las contenían; de manera puntal, el tratamiento 1(Sed-PP + 13CH4 + 15N2O) presentó una tasa de consumo máxima al día 4 de 1.21 ± 0.07 mmol 15N2O / g sed-d, resultando cuatro veces mayor que su contraparte que no contenía PP. Además, en esta condición, el metano fue mineralizado (0.76 mmol 13CO2) Esta evidencia sugiere, por vez primera, el posible acoplamiento de la mitigación de ambos gases a través de la oxidación- reducción de las SH-PP y, que hasta la fecha, este mecanismo no había sido contemplado. Análisis filogenéticos basados en el gen nosZ II, apuntan a Arenibacter algicola como la especie dominante del sistema y candidata potencial de sumidero de N2O."

"Wetlands are the main natural source of methane (CH4) emissions, which result from the balance between microbial processes, such as methanogenesis and methanotrophy, which under anaerobic conditions, can be sustained through the reduction of sulfate, iron oxides and humic substances (HS). Another key feature of these ecosystems, are the large amounts of natural organic matter (NOM) stored in their sediments, supporting the production of HS. To date, there is evidence about the activity of quinone groups present in SH, which can act as redox mediators in biogeochemical cycles. On the other hand, nitrous oxide (N2O) is the third most important gas in greenhouse gases (GHG). Biologically, the only N2O sink known to date is the reduction of N2O to N2 gas, this within the last step of denitrification. This reaction is mediated by the nitrous oxide reductase enzyme, which is encoded by the nosZ gene. Due to the substantial increase in the atmospheric concentrations of both gases, it is critical to clarify the function of SH, of aquatic ecosystems, on the mitigation of CH4 and N2O emissions simultaneously; which would imply a potential contribution to the carbon (C) and nitrogen (N) cycles that has been ignored so far. In this study, the capacity of the microbial community, present in the sediment of the Sisal wetland, was evaluated in order to carry out the anaerobic methane oxidation (OAM) coupled to nitrous oxide reduction (RON) mediated by external HS. For the previous objective, fresh sediments collected from the Sisal, Yucatan, Mexico wetland were incubated in microcosms under an argon atmosphere. The samples were enriched with 13CH4 and 15N2O and an external source of SH, Pahokee Peat (PP), was added. The consumption and production of both gases was monitored by GC-MS. Finally, the functional gene nosZ was cloned and sequenced. Two oxidation-reduction cycles were evaluated. The results showed the positive impact on the reduction rate of 15N2O, favored by SH-PP in all the treatments that contained them; specifically, treatment 1 (Sed-PP + 13CH4 + 15N2O) showed a maximum reduction rate at day 4 of 3.38 ± 0.07 mmol 15N2O / g sed-d, ten times higher than its counterpart which did not contain PP; besides, methane wasmineralized (0.76 mmol 13CO2) under these conditions. This evidence suggests, for thefirst time, the possible coupling of the mitigation of both gases through the oxidation-reduction of the SH-PP and, to date, this mechanism had not been considered. Phylogenetic analyzes based on the nosZ II gene point to Arenibacter algicola as the dominant species in the system and potential N2O sink candidate."