Sự chuyển đổi chế độ redox trong các chu trình sinh địa hóa do vi sinh vật trung gian

Biogeosciences - Tập 12 Số 12 - Trang 3713-3724
T. Bush1, Ian B. Butler2, Andrew Free3, Rosalind J. Allen1
1SUPA, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, King's Buildings, Edinburgh EH9 3FD, UK
2School of GeoSciences, University of Edinburgh, King's Buildings, Edinburgh, EH9 3FE, UK
3Institute of Cell Biology, School of Biological Sciences, University of Edinburgh, King's Buildings, Edinburgh EH9 3BF, UK

Tóm tắt

Tóm tắt. Hiểu cách các chu trình sinh địa hóa của Trái đất phản ứng với sự thay đổi môi trường là điều kiện tiên quyết cho việc dự đoán và giảm thiểu các tác động của những biến động gây ra bởi con người. Các quần thể vi sinh vật đóng vai trò trung gian cho các bước quan trọng trong những chu trình này, tuy nhiên, chúng thường được đại diện một cách đơn giản trong các mô hình sinh địa hóa. Ở đây, chúng tôi chỉ ra rằng động lực học quần thể vi sinh vật có thể ảnh hưởng qualitatively đến phản ứng của các chu trình sinh địa hóa với sự thay đổi môi trường. Sử dụng các mô hình toán học đơn giản và chung, chúng tôi phát hiện rằng sự hạn chế dinh dưỡng đối với sự phát triển của quần thể vi sinh vật có thể dẫn đến những chuyển đổi chế độ, trong đó trạng thái redox của một chu trình sinh địa hóa thay đổi mạnh mẽ khi sự sẵn có của một loài kiểm soát redox, chẳng hạn như oxy hoặc acetat, vượt qua một ngưỡng (một "điểm chuyển tiếp"). Những chuyển đổi chế độ redox này xảy ra trong các khoảng tham số có liên quan đến chu trình sulfur hiện tại trong môi trường tự nhiên và chu trình nitơ hiện tại trong các môi trường đất giàu dinh dưỡng. Những chuyển đổi này cũng có thể liên quan đến chu trình sắt trong các đại dương chứa sắt của thời kỳ Proterozoic và Archean. Chúng tôi cho thấy rằng những chuyển đổi chế độ redox cũng xảy ra trong các mô hình với những điều chỉnh lý thuyết thực tế, chẳng hạn như các điều khoản bổ sung, trạng thái hóa học hoặc quần thể vi sinh vật. Công trình của chúng tôi tiết lộ một cơ chế mới có thể xảy ra trong các hệ sinh thái chu trình dinh dưỡng và các chu trình sinh địa hóa, đồng thời làm nổi bật tầm quan trọng của việc xem xét động lực học quần thể vi sinh vật trong các mô hình về chu trình sinh địa hóa.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Aguilos, M., Takagi, K., Liang, N., Watanabe, Y., Teramoto, M., Goto, S., Takahashi, Y., Mukai, H., and Sasa, K.: Sustained large stimulation of soil heterotrophic respiration rate and its temperature sensitivity by soil warming in a cool-temperate forested peatland, Tellus B, 65, 20792, 2013.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P.: Molecular Biology of the Cell, 4 edn., New York, Garland Science, 183–208, 2002.

Allison, S. D. and Martiny, J. B. H.: Resistance, resilience, and redundancy in microbial communities, P. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 11512–11519, 2008.

Allison, S. D., Wallenstein, M. D., and Bradford, M. A.: Soil-carbon response to warming dependent on microbial physiology, Nat. Geosci., 3, 336–340, 2010.

Baani, M. and Liesack, W.: Two isozymes of particulate methane monooxygenase with different methane oxidation kinetics are found in Methylocystis sp. strain SC2., P. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 10203–10208, 2008.

Beaudet, R., Lévesque, M. J., Villemur, R., Lanthier, M., Chénier, M., Lépine, F., and Bisaillon, J. G.: Anaerobic biodegradation of pentachlorophenol in a contaminated soil inoculated with a methanogenic consortium or with Desulfitobacterium frappieri strain PCP-1., Appl. Microbiol. Biot., 50, 135–141, 1998.

Benton, M. J. and Twitchett, R. J.: How to kill (almost) all life: the end-Permian extinction event, Trends Ecol. Evol., 8, 358–365, 2003.

Berner, R. A.: Atmospheric oxygen over Phanerozoic time., P. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 10955–10957, 1999.

Berry, D. and Widder, S.: Deciphering microbial interactions and detecting keystone species with co-occurrence networks, Front. Microbiol., 5, 219, https://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00219, 2014.

Betlach, M. R. and Tiedje, J. M.: Kinetic explanation for accumulation of nitrite, nitric oxide, and nitrous oxide during bacterial denitrification, Appl. Environ. Microb., 42, 1074–1084, 1981.

Blackburn, T. H., Blackburn, N., Mortimer, R., Coleman, M., and Lovley, D. R.: Rates of microbial processes in sediments, Philos. T. R. Soc. Lond. A, 344, 49–58, 1993.

Blodau, C. and Knorr, K.-H.: Experimental inflow of groundwater induces a "biogeochemical regime shift" in iron-rich and acidic sediments, J. Geophys. Res., 111, G02026, https://doi.org/10.1029/2006JG000165, 2006.

Bonneville, S., Van Cappellen, P., and Behrends, T.: Microbial reduction of iron(III) oxyhydroxides: effects of mineral solubility and availability, Chem. Geol., 212, 255–268, 2004.

Burdige, D.: Sediment pore waters, in: Biogeochemistry of Marine Dissolved Organic Matter, edited by: Hansell, D. and Carlson, C., Academic Press, Massachusetts, 611–663, 2002.

Bürgmann, H., Jenni, S., Vazquez, F., and Udert, K. M.: Regime shift and microbial dynamics in a sequencing batch reactor for nitrification and anammox treatment of urine, Appl. Environ. Microb., 77, 5897–907, https://doi.org/10.1128/AEM.02986-10, 2011.

Button, D. K.: Kinetics of nutrient-limited transport and microbial growth, Microbiol. Rev., 49, 270–297, 1985.

Canfield, D. E.: Reactive iron in marine sediments, Geochim. Cosomochim. Ac., 53, 619–632, 1989.

Canfield, D. E.: A new model for Proterozoic ocean chemistry, Nature, 396, 450–453, 1998.

Canfield, D. E., Thamdrup, B., and Hansen, J.: The anaerobic degradation of organic matter in Danish coastal sediments: iron reduction, manganese reduction and sulfate reduction, Geochim. Cosomochim. Ac., 57, 3867–3883, 1993.

Canfield, D. E., Thamdrup, B., and Kristensen, E.: Aquatic geomicrobiology, Adv. Mar. Biol., 48, 347–357, 2005.

Conant, R. T., Ryan, M. G., Ågren, G. I., Birge, H. E., Davidson, E. A., Eliasson, P. E., Evans, S. E., Frey, S. D., Giardina, C. P., Hopkins, F. M., Hyvönen, R., Kirschbaum, M. U. F., Lavallee, J. M., Leifeld, J., Parton, W. J., Megan Steinweg, J., Wallenstein, M. D., Martin Wetterstedt, J. A., and Bradford, M. A.: Temperature and soil organic matter decomposition rates – synthesis of current knowledge and a way forward, Glob. Change Biol., 17, 3392–3404, https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02496.x, 2011.

Dale, A. W., Regnier, P., and Van Cappellen, P.: Bioenergetic controls on anaerobic oxidation of methane (AOM) in coastal marine sediments: a theoretical analysis, Am. J. Sci., 306, 246–294, 2006.

Demoling, F., Figueroa, D., and Baath, E.: Comparison of factors limiting bacterial growth in different soils, Soil Biol. Biochem., 39, 2485–2495, 2007.

Diaz, R. J. and Rosenberg, R.: Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems, Science, 321, 926–929, 2008.

Falkowski, P. G., Fenchel, T., and Delong, E. F.: The microbial engines that drive Earth's biogeochemical cycles, Science, 320, 1034–1039, https://doi.org/10.1126/science.1153213, 2008.

Fenchel, T., King, G., and Blackburn. T. H.}: {Bacterial Biogeochemistry: The Ecophysiology of Mineral Cycling, Elsevier, San Diego, 1–34, 1998.

Galloway, J. N., Dentener, F. J., Capone, D. G., Boyer, E. W., Howarth, R. W., Seitzinger, G. P., Cleveland, C. C., Green, P. A., Holland, E. A., K arl, D. M., Michaels, A. F., Porter, J. H., Townsend, A. R., and Vorosmarty, C. J.: Nitrogen cycles: past, present and future, Biogeochemistry, 70, 153–226, 2004.

Goldbeter, A. and Koshland, D. E.: An amplified sensitivity arising from covalent modification in biological systems, P. Natl. Acad. Sci. USA, 78, 6840–6844, 1981.

Goldhaber, M.: Sulfur-rich sediments, in: Treatise on Geochemistry, Vol. 7, edited by: Mackenzie, F., Holland, H., and Turekian, K., Elsevier, Amsterdam, 257–288, 2003.

González-Sánchez, A., and Revah, S.: The effect of chemical oxidation on the biological sulfide oxidation by an alkaliphilic sulfoxidizing bacterial consortium, Enzyme. Microb. Tech., 40, 292–298, 2007.

Hibbing, M. E., Fuqua, C., Parsek, M. R., and Peterson, S. B.: Bacterial competition: surviving and thriving in the microbial jungle, Nat. Rev. Microbiol., 8, 15–25, 2010.

Higgins, S. I. and Scheiter, S.: Atmospheric CO2 forces abrupt vegetation shifts locally, but not globally, Nature, 488, 209–212, 2012.

Huisman, J., Pham Thi, N., Karl, D. M., and Sommeijer, B.: Reduced mixing generates oscillations and chaos in the oceanic deep chlorophyll maximum, Nature, 439, 322–325, 2006.

Ingraham, J. L., Maaloe, O., and Neidhardt, F. C.: Growth of the Bacterial Cell, Sinauer Associates, Sunderland, Mass, 227–265, 1983.

Ingvorsen, K. and Jorgensen, B. B.: Kinetics of sulfate uptake by freshwater and marine species of Desulfovibrio, Arch. Microbiol, 139, 61–66, 1984.

Ingvorsen, K., Zehnder, A. J. B., and Jorgensen, B. B.: Kinetics of sulfate and acetate uptake by Desulfobacter postgatei, Appl. Environ. Microb., 47, 403–408, 1984.

IPPC: Carbon and other biogeochemical cycles, in: Climate Change 2013: The Physical Science Basis, 465–570, 2013.

Jin, Q. and Bethke, C. M.: Predicting the rate of microbial respiration in geochemical environments, Geochim. Cosmochim. Ac., 69, 1133–1143, 2005.

Jin, Q., Roden, E. E., and Giska, J. R.: Geomicrobial kinetics: extrapolating laboratory studies to natural environments, Geomicrobiol. J., 30, 173–185, 2013.

Jones, S. E. and Lennon, J. T.: Dormancy contributes to the maintenance of microbial diversity, P. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 5881–5886, 2010.

Kamyshny, A., Zerkle, A. L., Mansaray, Z. F., Ciglenečki, I., Bura-Nakić, E., Farquhar, J., and Ferdelman, T. G.: Biogeochemical sulfur cycling in the water column of a shallow stratified sea-water lake: Speciation and quadruple sulfur isotope composition, Mar. Chem., 127, 144–154, https://doi.org/10.1016/j.marchem.2011.09.001, 2011.

Karl, D., Michaels, A., Bergman, B., and Capone, D.: Dinitrogen fixation in the world's oceans, Biogeochemistry, 57, 47–98, 2002.

Klok, J. B. M., Graaff, M. D., Bosch, P. L. F. V. D., Boelee, N. C., Keesman, K. J., and Janssen, A. J. H.: A physiologically based kinetic model for bacterial sulfide oxidation, Water Res., 47, 483–492, 2012.

Koper, T. E., Stark, J. M., Habteselassie, M. Y., and Norton, J. M.: Nitrification exhibits Haldane kinetics in an agricultural soil treated with ammonium sulfate or dairy-waste compost, FEMS Microbiol. Ecol., 74, 316–322, 2010.

Landing, W. and Bruland, K.: The contrasting biogeochemistry of iron and manganese in the Pacific Ocean, Geochim. Cosomochim. Ac., 51, 29–43, 1987.

Lenton, T. M. and Watson, A.: Revolutions that Made the Earth, Oxford, Oxford University Press, 845–852, 2011.

López-Urrutia, A., San Martin, E., Harris, R. P., and Irigoien, X.: Scaling the metabolic balance of the oceans, P. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 8739–8744, 2006.

Madigan, M. T., Martinko, J. M., Dunlap, P. V., and Clark, D. P.: Brock Biology of Microorganisms, 12th edn., Pearson Education Inc., San Francisco, 673–703, 2009.

Marino, S., Baxter, N. T., Huffnagle, G. B., Petrosino, J. F., and Schloss, P. D.: Mathematical modeling of primary succession of murine intestinal microbiota, P. Natl. Acad. Sci. USA, 111, 1–6, 2013.

Mills, M. M., Moore, C. M., Langlois, R., Milne, A., Achterberg, A., Nachtigall, K., and Lochte, K.: Nitrogen and phosphorus co-limitation of bacterial productivity and growth in the oligotrophic subtropical North Atlantic, Limnol. Oceanogr., 53, 824–834, 2008.

Moore, J. K., Doney, S. C., Kleypas, J. A., Glover, D. M., and Fung, I. Y.: An intermediate complexity marine ecosystem model for the global domain, Deep-Sea Res. Pt. II, 49, 403–462, 2002.

Muyzer, G. and Stams, A. J. M.: The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria, Nat. Rev. Microbiol., 6, 441–454, 2008.

Naidja, A. and Huang, P. M.: Significance of the Henri–Michaelis–Menten theory in abiotic catalysis: catechol oxidation by δ-MnO2, Surf. Sci., 506, L243–L249, 2002.

Nikolaki, S. and Tsiamis, G.: Microbial diversity in the era of omic technologies, BioMed Research International, 2013, 958719, 2013.

Raiswell, R. and Canfield, D. E.: The iron biogeochemical cycle past present and future, Geochemical Perspectives, 1, 1–220, 2012.

Reeburgh, W.: Oceanic methane biogeochemistry, Chem. Rev., 107, 486–513, 2007.

Rees, A. P., Woodward, E. M. S., and Joint, I.: Concentrations and uptake of nitrate and ammonium in the Atlantic Ocean between 60° N and 50° S, Deep-Sea. Res. Pt. II., 53, 1649–1665, 2006.

Rickard, D.: Sulfidic Sediments and Sedimentary Rocks, Elsevier, Amsterdam, 319–343, 2012.

Rivett, M. O., Buss, S. R., Morgan, P., Smith, J. W. N., and Bemmett, C. D.: Nitrate attenuation in groundwater: A review of biogeochemical controlling processes, Water. Res., 42, 4215–4232, https://doi.org/10.1016/j.watres.2008.07.020, 2008.

Roden, E. E.: Analysis of long-term bacterial vs. chemical Fe(III) oxide reduction kinetics, Geochim. Cosomochim. Ac., 68, 3205–3216, https://doi.org/10.1016/j.gca.2004.03.028, 2004.

Roden, E. E. and Wetzel, R. G.: Competition between Fe(III)-reducing and methanogenic bacteria for acetate in iron-rich freshwater sediments., Microb. Ecol., 45, 252–258, 2003.

Saito, M., Goepfert, T. J., and Ritt, J.: Some thoughts on the concept of colimitation: three definitions and the importance of bioavailability, Limnol. Oceanogr., 53, 276–290, 2008.

Scheffer, M., Bascompte, J., Brock, W. A., Brovkin, V., Carpenter, S. R., Dakos, V., Held, H., van Nes, E. H., Rietkerk, M., and Sugihara, G.: Early-warning signals for critical transitions, Nature, 461, 53–59, 2009.

Schoonen, M. and Strongin, D.: Catalysis of electron transfer reactions at mineral surfaces, in: Environmental Catalysis, edited by: Grassian, V., CRC Press, Boca Raton, 37–60, 2005.

Shaffer, G., Olsen, S. M., and Pedersen, J. O. P.: Long-term ocean oxygen depletion in response to carbon dioxide emissions from fossil fuels, Nat. Geosci., 2, 105–109, 2009.

Sirota, J., Baiser, B., Gotelli, N. J., and Ellison, A. M.: Organic-matter loading determines regime shifts and alternative states in an aquatic ecosystem, P. Natl Acad. Sci. USA, 110, 7742–7747, 2013.

Tarpgaard, I. H., Roy, H., and Jorgensen, B. B.: Concurrent low- and high-affinity sulfate reduction kinetics in marine sediment, Geochim. Cosomochim. Ac., 75, 2997–3010, 2011.

Thamdrup, B. and Canfield, D. E.: Pathways of carbon oxidation in continental margin sediments off central Chile, Limnol. Oceanogr., 41, 1629–1650, 1996.

Todd-Brown, K. E. O., Hopkins, F. M., Kivlin, S. N., Talbot, J. M., and Allison, S. D.: A framework for representing microbial decomposition in coupled climate models, Biogeochemistry, 109, 19–33, 2012.

Westrich, J. T. and Berner, R. A.: The role of sedimentary organic matter in bacterial sulfate reduction: the G model tested, Limnol. Oceanogr., 29, 236–249, 1984.

Wichlacz, P. L. and Unz, R. F.: Growth kinetics of attached iron-oxidizing bacteria., Appl. Environ. Microb., 50, 460–467, 1985.