Diversidade genética e microbiana inesperada para o ciclo de arsênico em sedimentos de infiltração fria do mar profundo

npj Biofilmes e Microbiomas volume 9, Número do artigo: 13 (2023) Citar este artigo

1545 acessos

3 Altmétrico

Detalhes das métricas

As infiltrações frias, onde fluido frio rico em hidrocarbonetos escapa do fundo do mar, mostram forte enriquecimento de arsênico metalóide tóxico (As). A toxicidade e a mobilidade do As podem ser grandemente alteradas por processos microbianos que desempenham um papel importante no ciclo biogeoquímico global do As. No entanto, uma visão global dos genes e micróbios envolvidos na transformação de As nas infiltrações ainda precisa ser totalmente revelada. Usando 87 metagenomas de sedimentos e 33 metatranscriptomas derivados de 13 infiltrações frias distribuídas globalmente, mostramos que os genes de desintoxicação As (arsM, arsP, arsC1 / arsC2, acr3) eram predominantes em infiltrações e mais filogeneticamente diversos do que o esperado anteriormente. Asgardarchaeota e uma variedade de filos bacterianos não identificados (por exemplo, 4484-113, AABM5-125-24 e RBG-13-66-14) também podem funcionar como os principais intervenientes na transformação As. A abundância de genes de ciclismo As e as composições do microbioma associado ao As mudaram através de diferentes profundidades de sedimentos ou tipos de infiltração fria. A redução do arseniato com conservação de energia ou a oxidação do arsenito poderia impactar o ciclo biogeoquímico do carbono e do nitrogênio, por meio do apoio à fixação de carbono, à degradação de hidrocarbonetos e à fixação de nitrogênio. No geral, este estudo fornece uma visão abrangente dos genes e micróbios do ciclo As em infiltrações frias enriquecidas com As, estabelecendo uma base sólida para estudos adicionais do ciclo As no microbioma do mar profundo nos níveis enzimático e processual.

As infiltrações frias são caracterizadas pela emissão de fluidos subterrâneos no fundo do mar e ocorrem amplamente nas margens continentais ativas e passivas . Os fluidos ascendentes são frequentemente ricos em metano e outros hidrocarbonetos que sustentam oásis no fundo do mar compostos por vários microrganismos e assembleias faunísticas3,4. O principal processo que alimenta ecossistemas complexos de infiltração a frio é a oxidação anaeróbica do metano (AOM), operada conjuntamente por um consórcio de arquéias anaeróbicas oxidantes de metano (ANME) e bactérias redutoras de sulfato (SRB) . O AOM remove aproximadamente 80% do metano ventilado para cima, agindo como um filtro eficiente de metano7. Além disso, os sedimentos de infiltração fria do fundo do mar também contêm diazotróficos diversos e abundantes que podem contribuir substancialmente para o equilíbrio global de nitrogênio8. As infiltrações frias são, portanto, biologicamente e geoquimicamente significativas em escala global.

Os fluidos de ventilação podem influenciar significativamente o ambiente sedimentar dos locais de infiltração, resultando em alterações nas características químicas dos sedimentos9. Em particular, o arsénico (As), um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, é anormalmente enriquecido em sedimentos infiltrados10,11,12,13,14. O enriquecimento anômalo de As poderia ser atribuído aos fluidos ascendentes que poderiam capturar As e outros metais ao passar por espessas formações argilosas ; ou o chamado efeito vaivém do ferro particulado9,11,13. Assim como é de natureza metalóide tóxica que, após exposição, pode causar efeitos negativos para todos os seres vivos15. Dependendo das condições físico-químicas, o As pode ser encontrado em diferentes estados de oxidação e metilação, apresentando diversos níveis de toxicidade e biodisponibilidade16. Em ambientes marinhos, o arseniato (As(V)) e o arsenito (As(III)) são as formas dominantes de As inorgânico17. Supõe-se que os micróbios desenvolveram um repertório genético relacionado ao ciclo de As, datado de pelo menos 2,72 bilhões de anos atrás18,19. Os processos de biotransformação incluem a desintoxicação para mitigar a toxicidade e a respiração para conservar energia. A desintoxicação de As é alcançada principalmente por duas etapas: redução de As (V) a As (III) por As (V) redutases citoplasmáticas (gene arsC) com homologia com a família glutaredoxina (gene arsC1) ou tiorredoxina (gene arsC2) e subsequente extrusão de As (III) via permeases de efluxo de As (III) (genes arsB e acr3) 20,21 (Fig. 1). Outro mecanismo de desintoxicação de As envolve a metilação de As (III) em metilarsenito (MAs (III)) pela metiltransferase As (III) S-adenosilmetionina (SAM) (gene arsM) (Fig. 1). Embora os intermediários MAs(III) sejam mais tóxicos que o As(III), eles não se acumulam nas células e podem ser desintoxicados através de diversas vias diferentes. MAs (III) podem ser ainda metilados por ArsM e volatilizados, extrudados das células através da permease de efluxo de MAs (III) (gene arsP) , oxidados em MAs (V) menos tóxicos pela oxidase específica de MAs (III) (gene arsH )24, ou desmetilado em As(III) menos tóxico pela C-As liase (gene arsI)25. Como a respiração consiste na oxidação quimiolitotrófica de As (III) pela As (III) oxidase (genes aioAB / arxAB) e redução dissimilatória de As (V) pela As (V) redutase respiratória (genes arrAB) 15,26 (Fig. 1) . Tomados em conjunto, os micróbios têm um enorme efeito potencial no ciclo biogeoquímico e na toxicidade do As.