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May 30, 2023

A análise longitudinal das fontes termais das Cinco Irmãs no Parque Nacional de Yellowstone revela um ambiente termoalcalino dinâmico

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18707 (2022) Citar este artigo 1369 Acessos 2 Detalhes da Altmetric Metrics Pesquisas focadas em populações microbianas de nascentes termoalcalinas têm sido

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18707 (2022) Citar este artigo

1369 Acessos

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A pesquisa focada em populações microbianas de fontes termoalcalinas foi impulsionada em grande parte pela atração da descoberta de enzimas funcionais com aplicações industriais em ambientes de alto pH e alta temperatura. Embora vários estudos tenham se concentrado na compreensão da ecologia fundamental dessas nascentes, os perfis de pequenas moléculas das nascentes termoalcalinas foram amplamente negligenciados. Para entender melhor como a geoquímica, a composição de pequenas moléculas e as comunidades microbianas estão conectadas, conduzimos um estudo de três anos das nascentes das Cinco Irmãs (FS) que incluiu medições geoquímicas de alta resolução, sequenciamento de 16S rRNA da comunidade bacteriana e arqueológica e caracterização de metabólitos baseados em espectrometria de massa e pequenas moléculas extracelulares. A integração dos quatro conjuntos de dados facilitou uma análise abrangente do sistema de molas termoalcalinas entrelaçadas. Ao longo do estudo, a população microbiana respondeu às mudanças nas condições ambientais, com as populações de arqueas diminuindo tanto em abundância relativa quanto em diversidade em comparação com as populações bacterianas. As diminuições na abundância relativa de Archaea foram associadas a mudanças ambientais que incluíram a diminuição da disponibilidade de pequenas moléculas extracelulares específicas contendo nitrogênio e enxofre e flutuações nas vias metabólicas associadas ao ciclo do nitrogênio. Esta análise multifatorial demonstra que a composição da comunidade microbiana está mais intimamente correlacionada com conjuntos de pequenas moléculas extracelulares do que com a geoquímica das fontes termais. Esta é uma descoberta nova e sugere que um componente anteriormente negligenciado das fontes termais pode ter um impacto significativo na composição da comunidade microbiana.

As fontes termoalcalinas são ambientes únicos de importância biológica e industrial. As aplicações comerciais estão bem documentadas nestes sistemas e os atuais esforços de bioprospecção termoalcalina são amplos1. Um exemplo de sucesso é a comercialização de um conjunto de enzimas termoestáveis, incluindo enzimas lipolíticas e hidrolíticas2,3. De particular interesse é o desenvolvimento de enzimas celulolíticas termoestáveis ​​capazes de converter biomassa lignocelulósica em açúcares e, finalmente, em etanol sob condições industriais4. O potencial para desenvolver enzimas termoestáveis ​​e com pH estável para aplicações comerciais e o interesse na ecologia desses sistemas levaram a um acúmulo de dados geoquímicos e filogenéticos microbianos5,6,7,8.

Junto com os esforços de bioprospecção, a ecologia termoalcalina também impulsionou a investigação. Através deste trabalho, a temperatura demonstrou ser um grande impulsionador da diversidade microbiana, com o aumento das temperaturas da primavera traduzindo-se numa diminuição da diversidade microbiana9,10,11. Os aumentos de temperatura também foram associados a aumentos na abundância e diversidade de arqueas11,12. Foi demonstrado que os termófilos toleram uma ampla faixa de pH10,13. O pH também demonstrou ser um fator importante na abundância e diversidade em ambientes térmicos, com nascentes circunneutras e alcalinas sustentando populações microbianas mais diversas . No entanto, estes dois fatores por si só não explicam completamente a montagem de populações microbianas em sistemas térmicos15. Foi demonstrado que as nascentes termoalcalinas contêm uma ampla gama de bactérias e archaea, com vários clados comuns residindo em nascentes com geoquímica e localização geográfica variáveis9,16. Os micróbios predominantes nas fontes descritas incluem Chloroflexi, Deinococcus, Nitrospiral, Cyanobacteria, Proteobacteria, Thermodesulfobacteria, Aquificae, Thermotague, Thermococcales e Crenarchaeota9,14,16,17.

Apesar do crescente interesse e investigação nestes sistemas, permanecem lacunas no conhecimento2. Por exemplo, a dinâmica temporal de populações microbianas termoalcalinas ao longo de vários anos raramente foi investigada e, até onde sabemos, análises combinando o metaboloma microbiano com o intracelular e a composição extracelular de pequenas moléculas não foram conduzidas. Isto é especialmente verdadeiro no caso da amostragem de inverno em fontes termais no YNP, onde o acesso é limitado. Os desafios associados ao aumento do conhecimento em fontes termoalcalinas incluem a cultura microbiana. Para confirmar o potencial metabólico específico e as contribuições ecológicas de micróbios individuais, são frequentemente necessários isolados cultivados. Ambientes extremos como fontes termoalcalinas apresentam desafios aos esforços de isolamento quando se utilizam práticas de cultivo tradicionais, especialmente no que diz respeito a Archaea . Obter compreensão extracelular e intracelular de ambientes termoalcalinos tem amplas implicações, incluindo a melhoria dos esforços de cultura, fornecendo informações sobre pequenas moléculas ambientais e redes metabólicas.