DNRA stimulates aerobic microbial processes and restructures the surface planktonic community in the Chilean OMZ
Integrando la riduzione dissimilativa del nitrato in ammonio (DNRA) in un modello biogeochimico della zona di minimo dell'ossigeno della costa cilena, lo studio rivela che, sebbene la DNRA reindirizzi principalmente l'azoto verso il riciclo con un impatto minimo sui livelli di ossigeno, essa riduce inaspettatamente le concentrazioni di nitrito e ammonio attraverso una nitrificazione potenziata, stimolando così la crescita di grandi fitoplancton e zooplancton nelle acque superficiali.
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L'oceano non è un bacino statico d'acqua, ma un immenso motore pulsante guidato dal movimento dei nutrienti. Al cuore di questo motore risiede l'azoto, un elemento chimico essenziale per tutta la vita marina, dal minuscolo alga unicellulare alla balena più grande. In molte parti del mondo, l'oceano è affamato di azoto, e la sua disponibilità determina quanta vita il mare possa sostenere. Tuttavia, in regioni specifiche note come Zone di Minimo Ossigeno, la storia si fa più complessa. Questi sono strati profondi d'acqua dove l'ossigeno viene consumato più velocemente di quanto possa essere reintegrato, creando un ambiente quasi soffocante. In questi regni oscuri e poveri di ossigeno, si applicano regole diverse. I microbi prendono il sopravvento, decomponendo la materia organica in assenza di ossigeno, un processo che spesso priva l'oceano del suo azoto utilizzabile, trasformandolo in un gas che sfugge nell'atmosfera. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che queste zone fossero principalmente luoghi in cui l'azoto andava perduto per sempre, un vicolo cieco biologico che limitava la produttività dell'oceano.
Un team di ricercatori ha ora sfidato questa visione radicata concentrandosi su un processo microbico specifico chiamato riduzione dissimilativa del nitrato in ammonio, o DNRA. Sebbene il nome suoni tecnico, il meccanismo è semplice: in assenza di ossigeno, determinati batteri convertono il nitrato, una forma di azoto, direttamente in ammonio, un'altra forma che le piante possono utilizzare. A differenza di altri processi che rimuovono l'azoto dal sistema, la DNRA lo mantiene in circolazione. Costruendo un sofisticato modello informatico delle acque costiere del centro del Cile, sede di una delle zone di minimo ossigeno più intense della Terra, gli scienziati hanno simulato cosa accade quando questo processo di riciclo è attivo. Hanno scoperto che la DNRA non si limita ad aggiungere più ammonio al mix; al contrario, innesca una reazione a catena che riorganizza fondamentalmente l'intero ecosistema, trasformando una zona di perdita di azoto in una zona di conservazione dell'azoto e di sorprendente nuova crescita.
I ricercatori hanno costruito un gemello digitale della costa cilena, una regione in cui l'acqua fredda e ricca di nutrienti risale dalle profondità, alimentando enormi fioriture di plancton. Hanno programmato questo modello per includere il processo DNRA, che era stato osservato nell'oceano reale ma mai pienamente integrato nelle simulazioni su larga scala. Hanno poi eseguito due scenari: uno in cui la DNRA era assente, rappresentando la visione tradizionale di come funzionano queste acque, e un altro in cui la DNRA era attiva. I risultati sono controintuitivi. Gli scienziati si aspettavano che, producendo più ammonio, la DNRA aumenterebbe semplicemente la concentrazione di questo nutriente nell'acqua. Inveve, il modello ha mostrato che la presenza della DNRA ha causato in realtà una diminuzione significativa dei livelli di ammonio e di nitrito, rispettivamente di due e cinque volte, rispetto al gruppo di controllo.
Questo paradosso è avvenuto perché l'ammonio prodotto dalla DNRA è stato immediatamente catturato da un altro gruppo di microbi: i batteri nitrificanti. Questi organismi aerobici, che richiedono ossigeno, hanno ossidato rapidamente il nuovo ammonio creato riportandolo in nitrato. Ciò ha creato un ciclo stretto ed efficiente in cui l'azoto veniva costantemente riciclato tra diverse forme chimiche invece di accumularsi o sfuggire. Il nitrato prodotto da questo rapido riciclo è stato poi trasportato verso l'alto dalle correnti oceaniche verso lo strato superficiale illuminato dal sole. Lì, ha agito come un potente fertilizzante, ma con un colpo di scena. L'estratto nitrato non ha nutrito le piccole alghe unicellulari che tipicamente dominano queste acque. Invece, ha alimentato la crescita di fitoplancton più grande, come le diatomee, che sono i mattoni di una rete alimentare più complessa.
Il cambiamento alla base della rete alimentare si è propagato verso l'alto. Mentre il fitoplancton grande prosperava, sosteneva un boom di zooplancton grande, i minuscoli crostacei che si nutrono di esso. Al contrario, le popolazioni di piccolo fitoplancton e piccolo zooplancton sono diminuite. Il modello ha rivelato che l'intero ecosistema si stava ristrutturando attorno a questo nuovo flusso di nutrienti. Il processo ha anche alterato l'equilibrio della perdita di azoto. Nello scenario tradizionale senza DNRA, l'oceano perdeva quantità significative di azoto fissato attraverso processi che lo convertono in gas. Con la DNRA attiva, queste vie di perdita sono state soppresse. La competizione per i nutrienti ha significato che meno azoto era disponibile per i batteri che lo sottraggono al sistema, intrappolando efficacemente l'azoto all'interno della rete alimentare oceanica e rendendolo nuovamente disponibile per la vita.
Lo studio ha inoltre evidenziato il ruolo critico delle correnti oceaniche fisiche in questa danza biologica. Il movimento ascendente dell'acqua, guidato dal vento e dalla rotazione della Terra, ha trasportato il nitrato riciclato dagli strati profondi e poveri di ossigeno verso la superficie. Questo trasporto fisico è stato il ponte che ha permesso all'attività microbica profonda di influenzare l'ecosistema superficiale. I ricercatori hanno scoperto che questo accoppiamento è robusto; anche quando hanno regolato i parametri del modello per tenere conto dell'incertezza sulla velocità con cui i batteri lavorano o su quanto poco ossigeno sia necessario per innescare il processo, il risultato principale è rimasto lo stesso. Il sistema si è costantemente spostato verso uno stato di conservazione dell'azoto, con il processo di riciclo profondo che stimola la produttività superficiale.
Queste scoperte suggeriscono che l'immagine classica delle zone di minimo ossigeno come meri deserti di perdita di azoto potrebbe essere incompleta. Nelle aree in cui la DNRA è attiva, queste zone potrebbero invece funzionare come motori di riciclo interno, sostenendo livelli di produttività più elevati di quanto precedentemente ipotizzato. Lo studio non sostiene di aver risolto l'intero mistero del ciclo globale dell'azoto, né suggerisce che questo processo avvenga ovunque. Tuttavia, fornisce un argomento convincente basato su simulazioni che ignorare la DNRA porta a una significativa sottostima di quanto l'azoto venga trattenuto nell'oceano e di come sia strutturata la rete alimentare. I ricercatori sottolineano che il loro lavoro punta alla necessità di misurazioni più frequenti e dettagliate nell'oceano reale, in particolare dei livelli di ammonio sia nelle acque superficiali che in quelle profonde, per confermare se la natura si comporta esattamente come il loro modello digitale predice. Rivelando come un processo microscopico possa rimodellare l'abbondanza della vita dal fondo del mare fino alla superficie, lo studio offre una nuova lente attraverso cui osservare la complessa e interconnessa macchina dell'oceano.
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