Distribution des sources chaudes et mécanismes de survie du comammox thermophile Nitrospira

The ISME Journal volume 17, pages 993-1003 (2023)Citer cet article

3714 Accès

12 Altmétrique

Détails des métriques

La découverte récente d'espèces de Nitrospira capables d'oxyder complètement l'ammoniac (comammox) dans des écosystèmes naturels et artificiels non marins dans des conditions mésothermiques a modifié notre compréhension de la nitrification microbienne. Cependant, on sait peu de choses sur la présence des bactéries comammox ou sur leur capacité à survivre dans des habitats modérément thermiques et/ou hyperthermaux. Nous rapportons ici la large distribution du comammox Nitrospira dans cinq sources chaudes terrestres à des températures allant de 36 à 80°C et fournissons les génomes assemblés par métagénome de 11 nouvelles souches de comammox. Il est intéressant de noter que l’identification de la réduction dissimilatoire du nitrate en ammonium (DNRA) dans les lignées de comammox thermophiles Nitrospira suggère qu’elles ont des fonctions écologiques polyvalentes en tant que puits et sources d’ammoniac, contrairement aux lignées de comammox mésophiles décrites, qui ne possèdent pas la voie DNRA. De plus, l’expression in situ de gènes clés associés au métabolisme de l’azote, à l’adaptation thermique et au stress oxydatif a confirmé leur capacité à survivre dans les sources chaudes étudiées et leur contribution à la nitrification de ces environnements. De plus, la taille plus petite du génome et la teneur plus élevée en GC, les acides aminés moins polaires et plus chargés dans les profils d'utilisation, ainsi que l'expression d'un grand nombre de protéines de choc thermique par rapport aux souches de comammox mésophiles confèrent vraisemblablement une tolérance au stress thermique. Ces nouvelles connaissances sur l’apparition, l’activité métabolique et l’adaptation du comammox Nitrospira dans les habitats thermiques élargissent encore notre compréhension de la répartition mondiale du comammox Nitrospira et ont des implications significatives sur la façon dont ces micro-organismes uniques ont développé des stratégies de tolérance thermique.

Au siècle dernier, la nitrification chimiolithoautotrophe était considérée comme un processus en deux étapes réalisé par un consortium de micro-organismes. Cependant, ce paradigme a été radicalement modifié par les découvertes historiques d’organismes uniques capables d’oxyder l’ammoniac en nitrate [1, 2]. Ces bactéries chimiolithoautotrophes oxydant complètement l'ammoniac (comammox) appartiennent à la sous-lignée II du genre Nitrospira à ramification profonde, auparavant considéré comme effectuant uniquement l'oxydation des nitrites [3]. Bien que des tentatives aient été faites pour caractériser complètement comammox Nitrospira, une seule souche isolée et un nombre limité de cultures d'enrichissement ont été obtenues [4,5,6,7]. À partir de deux de ces cultures de comammox Nitrospira, la caractérisation cinétique suggère qu'elles ont une forte affinité pour l'ammoniac et préfèrent habiter des environnements oligotrophes (4, 5). Ainsi, les écosystèmes avec un flux de nutriments limité favorisent la présence de comammox Nitrospira, qui peut même dominer les oxydants canoniques de l'ammoniac [par exemple, les bactéries oxydant l'ammoniac (AOB)]. Cependant, des études sur le terrain ont suggéré que des facteurs autres que la disponibilité de l'ammoniac joueraient également un rôle dans la différenciation des niches des oxydants d'ammoniac [8, 9].

L'importance écologique du comammox Nitrospira n'a été que partiellement déchiffrée, bien qu'il se soit avéré qu'il soit largement répandu dans les écosystèmes naturels et artificiels non marins. Les environnements où ils ont été détectés comprennent les sols, les milieux naturels d'eau douce, les installations de traitement des eaux usées et les systèmes de production et de distribution d'eau potable [10,11,12,13,14,15,16,17,18]. À l'exception de la première et unique souche de comammox isolée à ce jour, Nitrospira inopinata, qui a été initialement échantillonnée dans une conduite d'eau chaude (56°C) et cultivée dans des conditions thermiques modérées entre 46 et 50°C [1, 4], toutes les autres études ont été associée aux conditions mésothermiques. Cela soulève la question du rôle que joue le comammox Nitrospira dans le cycle de l’azote dans les habitats thermiques et hyperthermaux.

Les habitats géothermiques tels que les sources hydrothermales sous-marines et les sources chaudes terrestres abritent une variété de micro-organismes chimiolithoautotrophes, peut-être depuis l'origine de la vie cellulaire (19, 20, 21). Les recherches sur les communautés microbiennes des sources chaudes remontent au 19e siècle [22], tandis que la compréhension de leur diversité et de leur capacité métabolique s'est considérablement améliorée au cours des deux dernières décennies grâce aux progrès des technologies de séquençage. Un composé présent dans les sources chaudes qui présente un intérêt particulier est l'ammonium, qui est le principal composé azoté observé dans les habitats géothermiques [23]. Par conséquent, des archées aérobies thermophiles oxydant l'ammoniac (AOA) ont été largement trouvées dans les écosystèmes thermiques (24, 25, 26, 27). De plus, des bactéries oxydant les nitrites (NOB) affiliées au genre Nitrospira ou au phylum Chloroflexi ont été identifiées dans les sources chaudes géothermiques [28,29,30]. Le potentiel des membres du genre Nitrospira, y compris l'espèce comammox N. inopinata, à tolérer le stress induit thermiquement indique que le comammox Nitrospira peut également proliférer dans les écosystèmes à haute température, mais aucun rapport de ce type n'a été réalisé à ce jour pour les sources géothermiques naturelles. Cela conduit à se demander dans quelle mesure le comammox Nitrospira thermophile est largement répandu, quelles stratégies ces espèces emploient pour se protéger du stress thermique et s'il existe des différences génomiques entre le comammox Nitrospira dans les habitats thermiques et non thermiques.