Efecto de la precipitación ácida de nitrógeno reactivo sobre la diversidad genética y funcional de la microbiota bacteriana de suelos áridos

Abstract

La biogeoquímica global incluye numerosos procesos microbianos, los cuales dependen de diversos factores tanto bióticos como abióticos, entre ellos la disponibilidad de agua, de nutrientes como el nitrógeno y de la diversidad genética y funcional de la microbiota. Estos factores son limitantes para la productividad de muchos suelos, en especial en ecosistemas áridos y semiáridos donde se postula que, por su dependencia del régimen de precipitaciones, responderían rápidamente a los efectos del cambio climático. También se ha sugerido que estos ecosistemas serían más sensibles al ingreso o pérdida de nutrientes, como el nitrógeno, el cual podría modificar tanto la actividad como la diversidad de los grupos bacterianos que gobiernan este ciclo, especialmente por el considerable aumento global de Nitrógeno reactivo (Nr) en la biosfera, durante el último siglo, debido a la acción antropogénica. Una fracción de este Nr forma parte de la contaminación atmosférica, donde tiene un corto tiempo de residencia y la mayoría retorna al suelo en forma de precipitación ácida de Nr (nitrato y amonio). El ciclo del nitrógeno involucra diversas reacciones de óxido-reducción, como la fijación que reduce el nitrógeno atmosférico a amonio. Luego, durante la nitrificación, el amonio es oxidado a nitrato, el cual es posteriormente reducido a nitrógeno elemental mediante desnitrificación. En el suelo, los contenidos de amonio у nitrato dependen principalmente de estos procesos microbiológicos, realizados por grupos bacterianos específicos conocidos como fijadores de nitrógeno, nitrificadores y desnitrificadores. En consideración a lo anterior, este trabajo propuso evaluar el efecto de la precipitación ácida de Nr sobre la diversidad genética y funcional de la comunidad bacteriana del suelo y cómo esta respuesta es mediada por el grado de aridez. Para ello se realizaron ensayos a nivel de microcosmos, incubados durante 84 días, con suelo árido proveniente del desierto de Atacama y suelo semiárido del matorral esclerófilo de Chile Central. Se evaluó el efecto del Nr ácido sobre los parámetros edáficos, las actividades microbianas de los grupos funcionales del ciclo del nitrógeno, la diversidad genética de nitrificadores y sobre la diversidad genética y metabólica de la comunidad bacteriana total. Paralelamente, mediante la construcción de genotecas con marcadores moleculares para cada grupo, se determinó la composición de la comunidad bacteriana total (rDNA 16S), de los nitrificadores (amoA) y desnitrificadores (nirK y nirS). Los resultados indicaron que el suelo árido del desierto mostró mayor riqueza del rDNA 16S que el suelo del matorral semiárido, concordando con la postulación de que la falta de agua podría limitar la comunicación entre microhábitats, resultando en una mayor heterogeneidad espacial que disminuiría o anularía el efecto de la competencia. En ambos tipos de suelos, los clones del gen amoA se agruparon exclusivamente con bacterias del género Nitrosospira, sugiriendo que la nitrificación se trataría de una función poco redundante. En el suelo semiárido la diversidad genética del gen nirS fue mayor que la del gen nirK. Sin embargo, todos los clones del gen nirK se relacionaron con secuencias de clones ambientales o formaron grupos independientes sugiriendo una composición particular en estos suelos. Por el contrario, en el suelo árido no se detectó la presencia de genes de desnitrificadores, probablemente debido a una baja abundancia de este gremio bacteriano. Los ensayos de microcosmos mostraron aumentos significativos en el contenido de nitrato y en las tasas de amonificación, nitrificación y desnitrificación en los tratamientos conteniendo Nr. El tratamiento ácido a pH 4.0 no tuvo efecto sobre los parámetros edáficos ni sobre las actividades microbianas. La diversidad genética de la comunidad bacteriana, determinada por ARDRA, no se modificó con los tratamientos aplicados durante el tiempo de incubación. Los patrones de TRFLP del gen amoA no mostraron cambios significativos de la diversidad de las bacterias nitrificantes durante el tiempo de incubación con los distintos tratamientos. Sin embargo, los suelos mostraron diferente composición de nitrificadores, de acuerdo al análisis de correspondencia canónica, los factores edáficos que mejor explicaron estas diferencias fueron el pH y los contenidos de materia orgánica y nitrato. Por su parte la diversidad metabólica de la comunidad microbiana, medida como la capacidad de utilizar varias fuentes de carbono, fue diferente entre los suelos estudiados. El análisis de correspondencia canónica entre los perfiles metabólicos y los factores edáficos medidos durante el tiempo de incubación de los microcosmos de ambos suelos reveló que las muestras se separaron de acuerdo al tipo de suelo y dentro de cada grupo según el tiempo de incubación de los microcosmos, independientemente del tratamiento. Los parámetros edáficos que mejor explicaron esta separación fueron el pH y la materia orgánica. En conclusión, los resultados indican cierto grado de estabilidad de la diversidad genética bacteriana del suelo frente a los tratamientos ensayados, los cuales afectarían principalmente la actividad metabólica de la microbiota, en particular la actividad de los grupos funcionales del ciclo del nitrógeno. La presencia activa de estos gremios bacterianos sugiere que pueden desempeñar un importante papel en el balance de nitrógeno de estas zonas áridas y semiáridas, especialmente bajo condiciones de mayor disponibilidad de agua.

Global biogeochemistry includes numerous microbial processes which depend on diverse biotic as well as abiotic factors, amongst them, the availability of water, nutrients such as nitrogen and the genetic and functional diversity of the biota. These factors are limiting for the productivity of many soils, especially in arid and semiarid ecosystems where it is thought that, given its dependency on the rainfall regime, would respond rapidly to the effects of global climate change. It has also been suggested that these ecosystems are more sensible to the entry or loss of nutrients, such as nitrogen, which could modify the activity as well as the diversity of the bacterial groups that govern this cycle, especially due to the considerable global increase of reactive nitrogen (Nr) in the biosphere as a result of anthropogenic action during this last century. A fraction of this Nr forms part of the atmospheric contamination, where it has a short time of residence and a great part returns to the soil in the form of acid rain of Nr (nitrate and ammonium). The nitrogen cycle involves diverse oxidation-reduction reactions, such as fixation that reduces atmospheric nitrogen to ammonium. Then, during nitrification, the ammonium is oxidized to nitrate, which is subsequently reduced to elemental nitrogen by denitrification. In soil, the ammonium and nitrate contents mainly depend on these microbiological processes carried out by specific bacterial groups known as nitrogen fixers, nitrifiers and denitrifiers. In consideration of the aforementioned, this work proposed to evaluate the effect of acid rain of Nr on the genetic and functional diversity ofthe soil microbial community and how this response is mediated by the degree of aridity. For this, assays were carried out at the level of microcosms, incubated for 84 days, with arid soil from the Atacama Desert and semiarid soil from the schlerophyllous matorral from central Chile. The effects of acid Nr on the edaphic parameters, the microbial activities of the functional groups of the nitrogen cycle, the genetic diversity of nitrifiers and on the genetic and metabolic diversity of the total bacterial community were evaluated. At the same time, through the construction of gene libraries with molecular markers for each group, the composition of the total bacterial community (rDNA 16S), of the nitrifiers (amoA) and denitrifiers (nirK and nirS) were determined. The results indicated that the arid desert soil showed a greater richness of the rDNA 16S than the semiarid soil of the matorral, in accordance with the idea that the lack of water could limit communication between microhabitats, resulting in a greater spatial heterogeneity that would decrease or annul the effect of competition. In both types of soil, the amoA gene clones clustered exclusively with bacteria of the genus Nitrosospira, suggesting that nitrification is a function not very redundant. In semiarid soil, the genetic diversity of the nirs gene was greater than the nirK gene. However, all the clones of the nirK gene were related to sequences of environmental clones or formed independent groups, suggesting an exclusive composition in these soils. On the other hand, in the arid soil the presence of denitrifying genes was not detected possibly due to the low abundance of this bacterial guild. The microcosms assay showed significant increases in the nitrate content and the rates of ammonification, nitrification and denitrification in the treatments containing Nr. The acid treatment at pH 4.0 had no effect on the edaphic parameters or the microbial activities. The genetic diversity of the microbial community, determined by ARDRA, was not modified with the treatments applied during the incubation period. The TRFLP patterns of the amoA gene did not show significant changes in the diversity of the nitrifying bacteria during the incubation period with the different treatments. However, the soils showed a different nitrifying composition, according to the canonical correspondence analysis the edaphic factors that best explained these differences were the pH and the organic matter and nitrate content. In turn the metabolic diversity of the microbial community, measured as the capacity to utilize various carbon sources, was different between the soils studied. The canonical correspondence analysis between the metabolic profiles and the edaphic factors measured during the incubation period of the microcosms of both soils showed that the samples separated according to the type of soil and within each group according to the time of incubation ofthe microcosms, independent ofthe treatment. The edaphic parameters that best explained this separation were the pH and organic matter. In conclusion, the results indicate a certain degree of stability of the bacterial genetic diversity of the soil in response to the treatments assayed, which would mainly affect the metabolic activity ofthe microbiota, particularly the activity ofthe functional groups ofthe nitrogen cycle. The active presence of these bacterial guilds suggests that they have an important role in the nitrogen balance of these arid and semiarid areas, especially under conditions of greater water availability.