Ausência de efeito de oxigênio na estrutura microbiana e produção de metano durante os eventos de secagem e reumedecimento

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16570 (2022) Cite este artigo

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Ambientes naturais com drenagem frequente sofrem eventos de secagem e reumedecimento que impõem flutuações na disponibilidade de água e exposição ao oxigênio. Esses ciclos relativamente dramáticos impactam profundamente a atividade microbiana no meio ambiente e as emissões subsequentes de metano e dióxido de carbono. Neste estudo, mimetizamos eventos de secagem e reumedecimento submetendo comunidades metanogênicas de ambientes estritamente anaeróbicos (digestores anaeróbicos) com diferentes estruturas filogenéticas a eventos consecutivos de dessecação sob condições aeróbias (ar) e anaeróbias (nitrogênio) seguidas de reumedecimento. Mostramos que a produção de metano se recuperou rapidamente após cada reumedecimento e, surpreendentemente, nenhuma diferença significativa foi observada entre os efeitos dos eventos de dessecação aeróbica ou anaeróbica. Houve uma ligeira mudança na estrutura da comunidade microbiana e uma diminuição nas taxas de produção de metano após secas e reumedecimentos consecutivos, o que pode ser atribuído ao esgotamento do reservatório de matéria orgânica disponível ou à inibição das comunidades metanogênicas. Essas observações indicam que, em comparação com os eventos de secagem e reumedecimento ou exposição ao oxigênio, a estrutura filogenética inicial e a quantidade e qualidade da matéria orgânica exibiram uma influência mais forte nas comunidades metanogênicas e nas respostas gerais da comunidade microbiana. Esses resultados mudam o paradigma atual da sensibilidade de microrganismos anaeróbios estritos à exposição ao oxigênio.

Ambientes naturais com drenagem frequente estão sujeitos a eventos de ressecamento e reumedecimento que impõem uma flutuação na exposição ao oxigênio (O2) causada por mudanças drásticas no lençol freático. Geralmente, acredita-se que os anaeróbios estritos tenham baixa tolerância ao O2, mas podem aplicar diferentes estratégias para lidar com essa exposição ao O2, como formar estágios de repouso ou produzir enzimas que desativam espécies reativas de oxigênio (ROS)1. Adicionalmente, os metanogênicos, embora considerados microrganismos sensíveis ao O2, têm demonstrado capacidade de recuperação à exposição ao O2 promovida pela dessecação. Os metanogênicos têm sido frequentemente encontrados em ambientes oxidativos, como solos anóxicos de arrozais que são frequentemente drenados pelo ar, e genes antioxidantes, como o gene da catalase (KAT), também foram detectados em seus genomas, especialmente naqueles de metanogênicos de classe II, por exemplo , Methanosarcina barkeri, Methanobrevibacter arboriphilus e Methanocellales, também demonstrando aerotolerância2,3. Além disso, foi relatada maior resistência ao estresse oxidativo em Methanocellales, Methanomicrobiales e Methanosarcinales, em comparação com metanogênicos de classe I (por exemplo, Methanopyrales, Methanobacteriales e Methanococcales). espécies de oxigênio (ROS) por meio de mecanismos aprimorados de defesa/reparação, como um nível de expressão mais diversificado e mais alto de enzimas antioxidantes e o desenvolvimento de uma nova via de eliminação de O2/ROS2. Assim, foi recentemente proposto que a teoria sobre a intolerância ao O2 em a microbiologia deve ser modificada, ou seja, que alguns táxons de metanogênios anaeróbicos estritos possam sobreviver a condições óxicas4. Além disso, demonstrou-se que sua função se recupera rapidamente, conforme evidenciado pelo aumento da degradação da matéria orgânica e produção de metano após a secagem de sedimentos de água doce seguida de reumedecimento5. Não está claro qual fator ambiental pode contribuir para essa recuperação, mas mudanças nas comunidades microbianas sedimentares foram relatadas após a secagem e reumedecimento6, que foram distintas para sedimentos de diferentes origens. Esta observação levou a postulações sobre o efeito potencial de diferentes fontes orgânicas na resposta microbiana à dessecação4, já que a secagem ao ar e a reumidificação podem afetar as características da matéria orgânica7. Da mesma forma, observou-se que a mineralização da matéria orgânica foi aumentada após a secagem e reumedecimento do solo devido a um aumento da solubilização da matéria orgânica e à ruptura dos agregados do solo8. Em contraste, Hernandez et al. (2019) observaram que, em comparação com o efeito de secagem e reumedecimento, o efeito da matéria orgânica do solo na comunidade microbiana foi menor9. Conrad (2020) propôs que a insensibilidade metanogênica à dessecação e à exposição ao O2 poderia ser uma explicação plausível para esses resultados contrastantes e levantou a hipótese de que a resistência oxidante de uma comunidade microbiana anaeróbica poderia ser obtida ou aumentada por sua secagem sazonal/periódica e reumedecimento de ecoambientes nativos4 .