Ocean acidification impacts on nitrogen fixation in the coastal western Mediterranean Sea

The effects of ocean acidification on nitrogen (N2) fixation rates and on the community composition of N2-fixing microbes (diazotrophs) were examined in coastal waters of the North-Western Mediterranean Sea. Nine experimental mesocosm enclosures of ∼50 m3 each were deployed for 20 days during June-July 2012 in the Bay of Calvi, Corsica, France. Three control mesocosms were maintained under ambient conditions of carbonate chemistry. The remainder were manipulated with CO2 saturated seawater to attain target amendments of pCO2 of 550, 650, 750, 850, 1000 and 1250 μatm. Rates of N2 fixation were elevated up to 10 times relative to control rates (2.00 ± 1.21 nmol L-1d-1) when pCO2 concentrations were >1000 μatm and pHT (total scale) < 7.74. Diazotrophic phylotypes commonly found in oligotrophic marine waters, including the Mediterranean, were not present at the onset of the experiment and therefore, the diazotroph community composition was characterised by amplifying partial nifH genes from the mesocosms. The diazotroph community was comprised primarily of cluster III nifH sequences (which include possible anaerobes), and proteobacterial (α and γ) sequences, in addition to small numbers of filamentous (or pseudo-filamentous) cyanobacterial phylotypes. The implication from this study is that there is some potential for elevated N2 fixation rates in the coastal western Mediterranean before the end of this century as a result of increasing ocean acidification. Observations made of variability in the diazotroph community composition could not be correlated with changes in carbon chemistry, which highlights the complexity of the relationship between ocean acidification and these keystone organisms.

Les transformations microbiennes de l’azote dans les grandes rivières

Les rivières reçoivent de l'azote de leurs bassins versants et elles constituent les derniers sites de transformations des nutriments avant leur livraison aux zones côtières. Les transformations de l’azote inorganique dissous en azote gazeux sont très variables et peuvent avoir un impact à la fois sur l’eutrophisation des côtes et les émissions de gaz à effet de serre à l’échelle globale. Avec l’augmentation de la charge en azote d’origine anthropique vers les écosystèmes aquatiques, les modèles d’émissions de gaz à effet de serre prédisent une augmentation des émissions d’oxyde nitreux (N2O) dans les rivières. Les mesures directes de N2O dans le Lac Saint-Pierre (LSP), un élargissement du Fleuve Saint-Laurent (SLR) indiquent que bien qu’étant une source nette de N2O vers l'atmosphère, les flux de N2O dans LSP sont faibles comparés à ceux des autres grandes rivières et fleuves du monde. Les émissions varient saisonnièrement et inter-annuellement à cause des changements hydrologiques. Les ratios d’émissions N2O: N2 sont également influencés par l’hydrologie et de faibles ratios sont observés dans des conditions de débit d'eau plus élevée et de charge en N élevé. Dans une analyse effectuée sur plusieurs grandes rivières, la charge hydraulique des systèmes semble moduler la relation entre les flux de N2O annuels et les concentrations de nitrate dans les rivières. Dans SLR, des tapis de cyanobactéries colonisant les zones à faible concentration de nitrate sont une source nette d’azote grâce à leur capacité de fixer l’azote atmosphérique (N2). Étant donné que la fixation a lieu pendant le jour alors que les concentrations d'oxygène dans la colonne d'eau sont sursaturées, nous supposons que la fixation de l’azote est effectuée dans des micro-zones d’anoxie et/ou possiblement par des diazotrophes hétérotrophes. La fixation de N dans les tapis explique le remplacement de près de 33 % de la perte de N par dénitrification dans tout l'écosystème au cours de la période d'étude. Dans la portion du fleuve Hudson soumis à la marée, la dénitrification et la production de N2 est très variable selon le type de végétation. La dénitrification est associée à la dynamique en oxygène dissous particulière à chaque espèce durant la marée descendante. La production de N2 est extrêmement élevée dans les zones occupées par les plantes envahissantes à feuilles flottantes (Trapa natans) mais elle est négligeable dans la végétation indigène submergée. Une estimation de la production de N2 dans les lits de Trapa durant l’été, suggère que ces lits représentent une zone très active d’élimination de l’azote. En effet, les grands lits de Trapa ne représentent que 2,7% de la superficie totale de la portion de fleuve étudiée, mais ils éliminent entre 70 et 100% de l'azote total retenu dans cette section pendant les mois d'été et contribuent à près de 25% de l’élimination annuelle d’azote.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Microbial community dynamics in the forefield of glaciers

Retreating ice fronts (as a result of a warming climate) expose large expanses of deglaciated forefield, which become colonized by microbes and plants. There has been increasing interest in characterizing the biogeochemical development of these ecosystems using a chronosequence approach. Prior to the establishment of plants, microbes use autochthonously produced and allochthonously delivered nutrients for growth. The microbial community composition is largely made up of heterotrophic microbes (both bacteria and fungi), autotrophic microbes and nitrogen-fixing diazotrophs. Microbial activity is thought to be responsible for the initial build-up of labile nutrient pools, facilitating the growth of higher order plant life in developed soils. However, it is unclear to what extent these ecosystems rely on external sources of nutrients such as ancient carbon pools and periodic nitrogen deposition. Furthermore, the seasonal variation of chronosequence dynamics and the effect of winter are largely unexplored. Modelling this ecosystem will provide a quantitative evaluation of the key processes and could guide the focus of future research. Year-round datasets combined with novel metagenomic techniques will help answer some of the pressing questions in this relatively new but rapidly expanding field, which is of growing interest in the context of future large-scale ice retreat.

Acúmulo de biomassa em variedades de cana-de-açúcar inoculadas com diferentes estirpes de bactérias diazotróficas

The objective of this study was to evaluate the contribution of inoculation with diazotrophs, applied both individually and in combination, in commercial varieties of sugarcane. The experiment was carried out at the experimental grounds of Embrapa Agrobiologia, in Seropédica, Rio de Janeiro, Brazil. The experimental design was of randomised blocks, with sub-divided plots and six replications. Six varieties of sugarcane with six treatments were used: control, control with nitrogen, inoculation of the individual strains: BR 11512, BR 11724 and BR 11411, in addition to inoculation with a cocktail consisting of five strains of diazotrophs. Differences were observed between varieties and between treatments, and an interaction observed between the treatments and varieties. For all the parameters evaluated, no response was observed in the sugarcane varieties RB855536 and RB92606. In the variety RB918639, the only difference was in the accumulation of green biomass. No difference was observed between the treatments for total nitrogen accumulation. The most responsive variety to inoculation was RB867515, differing in the accumulation of fresh and dry biomass. This study showed that inoculation promotes the accumulation of biomass, the contribution being different for the varieties and strains of bacteria, suggesting an interaction between the factors studied. The variety RB867515 is promising for use in studies of inoculation with diazotrophs.

Isolation, selection and characterization of root-associated growth promoting bacteria in Brazil Pine (Araucaria angustifolia)

Araucaria angustifolia, a unique species of this genus that occurs naturally in Brazil, has a high socio-economic and environmental value and is critically endangered of extinction, since it has been submitted to intense predatory exploitation during the last century. Root-associated bacteria from A. angustifolia were isolated, selected and characterized for their biotechnological potential of growth promotion and biocontrol of plant pathogenic fungi. Ninety-seven strains were isolated and subjected to chemical tests. All isolates presented at least one positive feature, characterizing them as potential PGPR. Eighteen isolates produced indole-3-acetic acid (IAA), 27 were able to solubilize inorganic phosphate, 21 isolates were presumable diazotrophs, with pellicle formation in nitrogen-free culture medium, 83 were phosphatases producers, 37 were positive for siderophores and 45 endospore-forming isolates were antagonistic to Fusarium oxysporum, a pathogen of conifers. We also observed the presence of bacterial strains with multiple beneficial mechanisms of action. Analyzing the fatty acid methyl ester (FAME) and partial sequencing of the 16S rRNA gene of these isolates, it was possible to characterize the most effective isolates as belonging to Bacillaceae (9 isolates), Enterobacteriaceae (11) and Pseudomonadaceae (1). As far as we know, this is the first study to include the species Ewingella americana as a PGPR. (C) 2011 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Abundance and Genetic Diversity of nifH Gene Sequences in Anthropogenically Affected Brazilian Mangrove Sediments

Although mangroves represent ecosystems of global importance, the genetic diversity and abundance of functional genes that are key to their functioning scarcely have been explored. Here, we present a survey based on the nifH gene across transects of sediments of two mangrove systems located along the coast line of Sao Paulo state (Brazil) which differed by degree of disturbance, i.e., an oil-spill-affected and an unaffected mangrove. The diazotrophic communities were assessed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), quantitative PCR (qPCR), and clone libraries. The nifH gene abundance was similar across the two mangrove sediment systems, as evidenced by qPCR. However, the nifH-based PCR-DGGE profiles revealed clear differences between the mangroves. Moreover, shifts in the nifH gene diversities were noted along the land-sea transect within the previously oiled mangrove. The nifH gene diversity depicted the presence of nitrogen-fixing bacteria affiliated with a wide range of taxa, encompassing members of the Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Firmicutes, and also a group of anaerobic sulfate-reducing bacteria. We also detected a unique mangrove-specific cluster of sequences denoted Mgv-nifH. Our results indicate that nitrogen-fixing bacterial guilds can be partially endemic to mangroves, and these communities are modulated by oil contamination, which has important implications for conservation strategies.

Distribution of nitrogen fixation and nitrogenase-like sequences amongst microbial genomes

Abstract Background The metabolic capacity for nitrogen fixation is known to be present in several prokaryotic species scattered across taxonomic groups. Experimental detection of nitrogen fixation in microbes requires species-specific conditions, making it difficult to obtain a comprehensive census of this trait. The recent and rapid increase in the availability of microbial genome sequences affords novel opportunities to re-examine the occurrence and distribution of nitrogen fixation genes. The current practice for computational prediction of nitrogen fixation is to use the presence of the nifH and/or nifD genes. Results Based on a careful comparison of the repertoire of nitrogen fixation genes in known diazotroph species we propose a new criterion for computational prediction of nitrogen fixation: the presence of a minimum set of six genes coding for structural and biosynthetic components, namely NifHDK and NifENB. Using this criterion, we conducted a comprehensive search in fully sequenced genomes and identified 149 diazotrophic species, including 82 known diazotrophs and 67 species not known to fix nitrogen. The taxonomic distribution of nitrogen fixation in Archaea was limited to the Euryarchaeota phylum; within the Bacteria domain we predict that nitrogen fixation occurs in 13 different phyla. Of these, seven phyla had not hitherto been known to contain species capable of nitrogen fixation. Our analyses also identified protein sequences that are similar to nitrogenase in organisms that do not meet the minimum-gene-set criteria. The existence of nitrogenase-like proteins lacking conserved co-factor ligands in both diazotrophs and non-diazotrophs suggests their potential for performing other, as yet unidentified, metabolic functions. Conclusions Our predictions expand the known phylogenetic diversity of nitrogen fixation, and suggest that this trait may be much more common in nature than it is currently thought. The diverse phylogenetic distribution of nitrogenase-like proteins indicates potential new roles for anciently duplicated and divergent members of this group of enzymes.

Aumento de fijación de nitrógeno en diazótrofos unicelulares versus Trichodesmium tras un evento de deposición de polvo atmosférico en las Islas Canarias

[ES]En este trabajo hemos estudiado la relación entre la deposición de polvo atmosférico, y la abundancia y tasas de fijación de nitrógeno asociadas a Trichodesmium y fijadores unicelulares en las Islas Canarias. La fijación de nitrógeno asociada a los fijadores unicelulares aumentó entre el 86 y el 92% tras un evento de deposición de polvo atmosférico, mientras que la asociada a Trichodesmium disminuyó entre el 34 y el 92%. Tras el evento de deposición de polvo, aumentó la abundancia de fijadores unicelulares y la mayoría de éstos aparecieron asociados a partículas de materia orgánica. Creemos que esta estrategia les permite ligar el hierro que contiene el polvo y así poder usar este nutriente limitante.

Diversity of ocean acidification effects on marine N2 fixers

Considering the important role of N2 fixation for primary productivity and CO2 sequestration, it is crucial to assess the response of diazotrophs to ocean acidification. Previous studies on the genus Trichodesmium suggested a strong sensitivity towards ocean acidification. In view of the large functional diversity in N2 fixers, the objective of this study was to improve our knowledge of the CO2 responses of other diazotrophs. To this end, the single-celled Cyanothece sp. and two heterocystous species, Nodularia spumigena and the symbiotic Calothrix rhizosoleniae, were acclimated to two pCO2 levels (380 vs. 980 µatm). Growth rates, cellular composition (carbon, nitrogen and chlorophyll a) as well as carbon and N2 fixation rates (14C incorporation, acetylene reduction) were measured and compared to literature data on different N2 fixers. The three species investigated in this study responded differently to elevated pCO2, showing enhanced, decreased as well as unaltered growth and production rates. For instance, Cyanothece increased production rates with pCO2, which is in line with the general view that N2 fixers benefit from ocean acidification. Due to lowered growth and production of Nodularia, nitrogen input to the Baltic Sea might decrease in the future. In Calothrix, no significant changes in growth or production could be observed, even though N2 fixation was stimulated under elevated pCO2. Reviewing literature data confirmed a large variability in CO2 sensitivity across diazotrophs. The contrasting response patterns in our and previous studies were discussed with regard to the carbonate chemistry in the respective natural habitats, the mode of N2 fixation as well as differences in cellular energy limitation between the species. The group-specific CO2 sensitivities will impact differently on future biogeochemical cycles of open-ocean environments and systems like the Baltic Sea and should therefore be considered in models estimating climate feedback effects.