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Un cambio radical en nuestra comprensión: los científicos desentrañan el misterio global del nitrógeno

Un cambio radical en nuestra comprensión: los científicos desentrañan el misterio global del nitrógeno

Una investigación pionera revela cómo los microorganismos que oxidan el amoníaco coexisten al preferir diferentes fuentes de nitrógeno, lo que mejora enormemente nuestra comprensión del ciclo global del nitrógeno y sugiere nuevas estrategias para reducir la contaminación ambiental relacionada con el nitrógeno.

Un estudio de la Universidad de Oklahoma avanza en la comprensión científica de la oxidación del amoníaco.

El profesor asociado Wei Chen de la Universidad de Oklahoma ha dirigido una nueva investigación que cambia fundamentalmente la comprensión de la oxidación del amoníaco, un componente clave del ciclo global del nitrógeno. Esta investigación fue publicada recientemente en la revista Microbiología de la naturaleza.

Los microorganismos que oxidan el amoníaco, comúnmente llamados OMA, utilizan el amoníaco como energía y representan la oxidación anual de aproximadamente 2,3 billones de kilogramos de nitrógeno en el suelo, el agua dulce, el subsuelo y los ecosistemas creados por el hombre. Una pregunta importante que ha permanecido sin respuesta durante décadas es cuán diferentes son las cepas de OMA. Clasificar Coexisten en el mismo entorno: ¿compiten por el amoníaco o utilizan otros compuestos alternativos para cubrir sus necesidades energéticas?

“Diferentes cepas de OMA crecen simultáneamente en el mismo ambiente y se cree que compiten principalmente por el amoníaco”, dijo Chen. “Nuestra investigación colaborativa se centró en determinar por qué y cómo estas cepas metabólicamente conservadas pueden coexistir sin competencia directa por el nitrógeno inorgánico (amoníaco), y examinamos su capacidad para utilizar nitrógeno orgánico (urea) en su lugar”.

Papel de la urea en la diversidad y simbiosis de la OMA.

Más de la mitad de las especies de OMA se han adaptado al uso de urea, un compuesto de nitrógeno orgánico ampliamente disponible que representa alrededor del 40 por ciento del nitrógeno total en los fertilizantes, como fuente de energía alternativa. Sin embargo, este proceso requiere que la OMA utilice energía adicional porque la urea es una estructura molecular más compleja y primero debe descomponerse en amoníaco dentro de las células de la OMA antes de su uso posterior. Al saber esto, el equipo colaborativo de Chen buscó comprender cómo la AOM obtiene y metaboliza el amoníaco y la urea cuando ambos están disponibles simultáneamente.

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“Siempre hemos llamado a la urea el sustrato alternativo para el amoníaco”, dijo Chen. “Ahora sabemos que una cepa importante de OMA en realidad prefiere la urea e inhibe el uso de amoníaco cuando hay urea presente. Este descubrimiento desafía las suposiciones predominantes que han persistido durante más de 100 años desde que se cultivaron las primeras especies de OMA”.

Los resultados de la investigación muestran que diferentes cepas de OMA utilizan diferentes estrategias regulatorias para utilizar amoníaco o urea, reduciendo así la competencia directa entre sí y permitiendo la coexistencia. Estas preferencias diferenciales revelan una diversidad biofisiológica oculta y tienen consecuencias en el mundo real que deberán explorarse más a fondo.

“La OMA produce nitratos, que se filtran en las aguas subterráneas y los cuerpos de agua circundantes, causando eutrofización, o Óxido nitroso“Es un poderoso gas de efecto invernadero”, afirmó Chen. “Una vez que confirmemos qué cepas de OMA prefieren la urea, podremos investigar su contribución a la lixiviación de nitratos y la producción de gases de efecto invernadero en el medio ambiente. Esto es esencial para desarrollar métodos sostenibles y prácticos para reducir estos contaminantes nitrogenados en ecosistemas naturales y diseñados. Es probable que esto ser el foco de futuras investigaciones.”

Referencia: “Las bacterias y arqueas que oxidan el amoníaco muestran diferentes preferencias de fuentes de nitrógeno” por Wei Qin, Stephany P. Wei, Yue Zheng, Eunkyung Choi, Xiangpeng Li, Juliet Johnston, Xianhui Wan, Brett Abrahamson, Zachary Flinxstrom, Baozhan Wang, Hanyan Li , Li Hu, Qing Tao, White W. Kluber, Shen Sun, Michael Wells, Long Nguo, Christopher A. Hunt, Hidetoshi Urakawa, Xuanyu Tao, Dongyu Wang, Xiaoyuan Yan, Dazhi Wang, Zhongle Pan, Peter K. Weber, Jiandong Jiang, Jizhong Zhou, Yao Zhang y David A. Stahl y Pace P. Ward, Xavier Mayale, Willem Martens-Habina y Marie Carolina H. Winkler, 31 de enero de 2024, Microbiología de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41564-023-01593-7

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