Cuantificación de genes relacionados con procesos claves del ciclo del nitrógeno en suelos antárticos con influencia de asentamientos animales

Abstract

El ciclo del nitrógeno es central para la biogeoquímica del planeta y presenta grandes flujos naturales desde la atmósfera hacia los ecosistemas. La biogeoquímica del nitrógeno depende casi por completo de las reacciones de óxido-reducción que son llevadas a cabo, principalmente, por bacterias, pues a pesar de que el 78% de la atmósfera terrestre está formada por nitrógeno molecular, éste no está mayormente biodisponible y solo un limitado número de microorganismos son capaces de convertirlo en nitrógeno reactivo. En las etapas de transformaciones inorgánicas, el ciclo del nitrógeno incluye la reducción de nitrógeno molecular a amonio, que podría considerarse el paso inicial de la utilización del nitrógeno por los seres vivos, para después pasar éste a nitrito y nitrato, y posteriormente a los correspondientes óxidos de nitrógeno mediante el proceso de desnitrificación, finalizando el ciclo con la producción de nitrógeno molecular. El aumento del nitrógeno en un ecosistema puede tener impactos potencialmente importantes en las dinámicas microbianas, sin embargo, el entendimiento de cómo este aumento puede afectar a dichas comunidades permanece incompleto. Esto adquiere mayor importancia en la Antártica, donde se encuentra un aumento de los niveles de nitrógeno como consecuencia de perturbaciones animales y antropogénicas. Las zonas libres de hielo en la Antártica están sometidas a bajas temperaturas, y sus suelos presentan típicamente bajos niveles de humedad, de carbono y de nitrógeno, además de tener poca capacidad amortiguadora de pH. Una excepción son los suelos influenciados por asentamientos de animales, los cuales son ricos en vii deposiciones animales, y están enriquecidos en nitrógeno y carbono orgánico total. Estas condiciones permiten una gran actividad de las diferentes comunidades bacterianas que reciclan los nutrientes, por lo que es esencial el conocimiento de los grupos funcionales bacterianos presentes allí para tener una mejor comprensión del rol que cumplen en la mantención del ciclado de nutrientes. En esta tesis determinamos la abundancia de los grupos funcionales bacterianos claves en el ciclo biogeoquímico del nitrógeno, utilizando marcadores moleculares, en suelos influenciados por asentamientos animales ubicados en el Cabo Shirreff (Isla Livingston), una zona caracterizada por ser un punto importante de diversidad faunística. Los suelos influidos por animales marinos, especialmente pingüinos, presentaron una alta cantidad de nutrientes, principalmente nitrato, amonio y fósforo. Sin embargo, en la mayoría de los casos no se detectaron diferencias significativas en la abundancia de los marcadores moleculares entre los suelos influidos por animales y los controles. Los genes más abundantes fueron narG y nifH, y los menos abundantes nirK y nosZ. Este último fue el único gen que presentó diferencias significativas con respecto al control, específicamente en una de las pingüineras (Pa). Finalmente, las abundancias de los genes nifH y norB no presentaron relaciones lineales significativas con ninguna de las variables edáficas. Las relaciones entre abundancias y parámetros edáficos fueron siempre positivas, con excepción de nifH que presentó algunas relaciones negativas. Los genes amoA, narG, nirK, nirS y nosZ, mostraron relaciones lineales positivas y significativas con el amonio en el suelo. Por otra parte, narG y nosZ presentaron las mejores relaciones, y viii significativas, entre sus niveles de abundancia y nutrientes del suelo como amonio, nitrato y fósforo, además de la conductividad

The nitrogen cycle is central to the biogeochemistry of the planet and has large natural flows from the atmosphere to ecosystems. The biogeochemistry of nitrogen depends almost entirely on the redox reactions that are carried out mainly by bacteria. Despite that 78% of the Earth's atmosphere is formed by molecular nitrogen, it is not largely bioavailable and only a limited number of microorganisms can convert N2 into reactive nitrogen. In the stages of inorganic transformations, the nitrogen cycle begins with the reduction of molecular nitrogen to ammonium, which could be considered the initial step of the use of nitrogen by living beings; then it is converted to nitrite and nitrate, and subsequently to the corresponding nitrogen oxides through the denitrification process, ending the cycle with the production of molecular nitrogen. The increase of nitrogen levels in an ecosystem can have potentially important impacts on microbial dynamics; however, the understanding of how this increase may affect these communities remains incomplete. This becomes more important in Antarctica, where there is an increase in nitrogen levels as a result of animal and anthropogenic disturbances. Ice-free zones in Antarctica are subjected to low temperatures, and their soils have typically low levels of humidity, carbon and nitrogen, in addition to a little buffering capacity. An exception are soils influenced by animal settlements, which are rich in animal depositions, and enriched in nitrogen and total organic carbon. These conditions allow a great activity of the different bacterial communities that recycle nutrients, so it is essential to know the bacterial functional groups which are present x to have a better understanding of the role that they are playing in the maintenance of the nutrient cycling. In this thesis we determine the abundance of the key bacterial functional groups in the biogeochemical cycle of nitrogen, using molecular markers, in soils influenced by animal settlements located in Cape Shirreff (Livingston Island), an area characterized by being an important point of fauna diversity. The soils influenced by marine animals, especially penguins, presented a high amount of nutrients, mainly nitrate, ammonium and phosphorus. However, in most cases no significant differences were detected in the abundance of molecular markers between the soils influenced by animals and the controls. The most abundant genes were narG and nifH, and the least abundant ones nirK and nosZ. The latter (nosZ) was the only gene that presented significant differences compared to the control, specifically in one of the penguins’ settlements (Pa). Finally, the abundance of the nifH and norB gene did not present significant linear relationships with any of the edaphic variables. The relation between abundances and edaphic parameters were always positive, with the exception of nifH that presented some negative relations. The amoA, narG, nirK, nirS and nosZ genes showed positive and significant linear relations with ammonium in the soil. Moreover, narG and nosZ presented the best and most significant relationships between their abundances and the soil nutrients as ammonium, nitrate and phosphorus, in addition to the conductivity