Trichodesmium, el fixador de nitrogen més important al mar, i molt més

14 juny 2023

Click here for the English version: Trichodesmium is the most important nitrogen-fixing cyanobacteria

El gènere Trichodesmium és un dels cianobacteris més importants des de diversos punts de vista: és prolífic als oceans, hi fixa la meitat del nitrogen atmosfèric necessari per a tota la cadena alimentària, és fotosintètic, és colonial i forma flocs que es desplacen verticalment entre la superfície i fins a 200 m, contribuint als cicles biològics del nitrogen, carboni, fòsfor i del ferro. 

ELS CIANOBACTERIS SÓN ORGANISMES CLAU A L’EVOLUCIÓ I A L’ECOLOGIA DE LA TERRA

Abans eren coneguts com a “algues verd-blaves” o cianofícies, per la seva semblança amb les algues, essent fotosintètics autòtrofs i d’aspectes filamentosos, i encara se’ls anomena vulgarment com un tipus de microalgues. Tanmateix, els cianobacteris són procariotes, i per tant no tenen res a veure estructuralment i filogenèticament amb les algues, ja que aquestes són eucariotes.

Són un dels principals fílums dels bacteris, dins el supertàxon Terrabacteria. Vegeu al respecte el meu article sobre els principals fílums bacterians. De fet, són uns dels bacteris més antics, amb fòssils de fa 3500 milions d’anys. Els cianobacteris van “inventar” la fotosíntesi oxigènica, per fotofosforilació no cíclica, amb 2 fotosistemes i clorofil·la, a diferència d’altres bacteris fotosintètics anoxigènics, amb només un fotosistema i bacterioclorofil·les. L’oxigen que anaren produint els cianobacteris, sobretot entre fa 2400 i 2000 milions d’anys, va generar l’atmosfera actual amb un 21% O₂. I de fet ells són l’origen evolutiu dels primers cloroplasts i altres plastidis presents a algues i plantes, els eucariotes que aparegueren després, ja que els cianobacteris foren incorporats per endosimbiosi als primers eucariotes.

Són gramnegatius i tenen membranes internes, anomenades tilacoides, on s’acumulen els pigments i on té lloc la fotosíntesi. Són un fílum gran i molt divers, amb molts tipus de formes, tant unicel·lulars, como colonials i moltes filamentoses (Figura 1). Els cianobacteris prosperen en molt diversos hàbitats per tota la Terra i són els principals contribuïdors als cicles biogeoquímics globals. Molts d’ells a més de ser fotosintètics, són fixadors de N₂ atmosfèric —diazòtrofs—, convertint-lo a amoni i/o nitrits i nitrats. Alguns fan la fixació de nitrogen en cèl·lules especialitzades, com els heterocists d’Anabena i altres gèneres (Figura 1). Hi ha molts fixadors de N₂ de vida lliure però també n’hi ha de simbiòtics amb les arrels de les plantes, anomenats cianobionts, com el mateix Anabaena.

Figura 1. Diversitat morfològica dels cianobacteris, incloent formes unicel·lulars, colonials i filamentoses. Les petites barres són a escala, 10 μm. Abreviatures: h, heterocist; s, espora; ho, hormogoni. Tret de AEDA, Freshwater Biological Association, dibuixos originals de Allan Pentecost.

A banda de trobar-se en ambients terrestres i aigües superficials, els cianobacteris són ubics als ambients marins, on tenen un paper important com a productors primaris, part del fitoplàncton. Els principals cianobacteris de mar obert són Crocosphaera, Trichodesmium, Synechococcus i Prochlorococcus. Aquests 2 darrers gèneres són dels anomenats picobacteris, perquè són molt petits, de només 0.5-0.8 μm, i malgrat la seva mida són els organismes més abundants a la Terra: uns 10⁵ bacteris per cada mL d’aigua marina, sobretot a totes les regions oligotròfiques (amb pocs nutrients) dels oceans. Es calcula que només els Prochlorococcus produeixen el 20% de l’oxigen atmosfèric (Partensky et al 1999).

Els cianobacteris marins també són presents a l’anomenat aeroplàncton atmosfèric que es forma amb les esquitxades de les onades, mitjançant el qual aquests bacteris són transportats a altres regions. Alguns cianobacteris poden formar proliferacions algals nocives (blooms) —per excés de nutrients de fertilitzants o residus amb altes temperatures— que al seu torn provoquen desequilibris de l’ecosistema i poden produir toxines, les cianotoxines (Huisman et al 2018).

Biotecnològicament, els cianobacteris són importants com a organismes model d’estudi dels mecanismes fotosintètics i potencials aplicacions. A més, són coneguts —a banda d’alguns productes del metabolisme secundari— per la seva utilització com a menjar, o sigui l’anomenada “proteïna unicel·lular” (Single Cell Protein, SCP) o proteïna microbiana. Gèneres com Arthrospira (abans Spirulina) o Aphanizomenon són utilitzats com a suplements dietètics i tenen efectes positius sobre la salut. Ho podeu veure al meu article sobre la carn alternativa.

TRICHODESMIUM

És un gènere de cianobacteris filamentosos, que es troba en aigües oceàniques tropicals i subtropicals pobres en nutrients, com al mar Roig i als mars d’Austràlia, on fou descrit en primer lloc al segle 18 per l’explorador anglès capità James Cook. De fet, el mar Roig té aquest nom pel color rogenc que s’observa a vegades degut a la proliferació de T. erythraeum i altres espècies semblants. T. erythraeum és la més estudiada i la única seqüenciada fins ara d’aquest gènere. El seu genoma de 7.75 Mb és un dels més grans de tots els bacteris seqüenciats. Una altra espècie ben coneguda per les proliferacions en superfície és T. thiebautii.

Els filaments de Trichodesmium són cadenes d’unitats cel·lulars separades per septes (Figura 2). Els filaments s’anomenen tricomes —mateix nom (pèls en grec) que els fins apèndixs o pèls de plantes i algues. Els tricomes s’agrupen formant flocs de fins a 2 mm, visibles a simple vista (Figura 3), i la seva acumulació a la superfície marina en forma de bandes és visible des de l’espai (Figura 4). Per aquest aspecte també són anomenats “serradures marines” o també “camins de sorra”. De fet, el nom d’aquest gènere prové del grec Trichos = pèls, i Desmos = bandes, o sigui bandes de pèls.

Les colònies de Trichodesmium són un substrat preferent de nombrosos altres organismes oceànics, incloent altres bacteris, protistes com diatomees, dinoflagel·lats, protozous, i sobretot els copèpodes (crustacis, animals). Per tant, aquest gènere és el pilar substancial de complexos microambients marins.

Figura 2. Imatge al microscopi òptic de tricomes de Trichodesmium sp. H9-4 integrants d’un floc (Imatge de Annette Hynes, WHOI 2023)

Figura 3. Filaments o tricomes de Trichodesmium agrupats formant un floc (tret de Le Page 2023)

Figura 4. Proliferació de Trichodesmium amb aspecte de serradures marines, prop de la Gran Barrera de Corall australiana. Imatge de Wexcan, Creative Commons, Wikimedia Commons.

———————

LA FIXACIÓ DE NITROGEN PER TRICHODESMIUM

La recerca feta en diversos estudis els darrers anys ha fet palesa la substancial contribució del cianobacteri diazòtrof Trichodesmium a la captació de nitrogen atmosfèric als ecosistemes marins globals i la cabdal importància ecològica d’aquest gènere (Capone et al 1997; Bergman et al 2013).

Amb la seva gran capacitat de fixar N₂ atmosfèric, Trichodesmium és el principal diazòtrof entre els cianobacteris i també el principal organisme diazòtrof dels sistemes pelàgics marins. És una font important de “nou” nitrogen a les aigües pobres en nutrients que habita, produint la meitat del nitrogen que cal per a la producció primària als oceans (MicrobeWiki 2010). L’aportació global de fixació de nitrogen per Trichodesmium és d’aproximadament 60-80 Tg —Teragrams (10¹² g), o sigui megatones— de N per any.

Com sabeu, la fixació biològica de nitrogen atmosfèric només la poden fer bacteris, i consisteix en la reducció de N₂ —molt inert, cal molta energia per reduir-lo— a 2 molècules de amoni mitjançant un complex enzimàtic, la dinitrogenasa, en un seguit de reaccions semblants a una cadena de transport d’electrons amb piruvat com a donador d’e^–, on intervenen una flavodoxina oxidoreductasa i el complex dinitrogenasa pròpiament, amb requeriment d’uns 24 mols ATP per mol N₂ fixat. Com que la nitrogenasa és inhibida per l’oxigen, els organismes diazòtrofs tenen diversos mecanismes de poder fixar el nitrogen sense la presència d’oxigen:

• Ser anaeròbics, com alguns clostridials i també alguns fotosintètics anoxigènics.
• Aeròbics que consumeixen ràpidament l’O₂ —anomenada protecció respiratòria—, com Azotobacter, que té una citocrom-oxidasa molt activa, i així no hi ha oxigen lliure.
• Aeròbics amb cèl·lules especialitzades que contenen la nitrogenasa, com els heterocists de molts cianobacteris (ex. Anabaena, Figura 1) que impedeixen l’entrada d’oxigen. A més, donat que els cianobacteris són fotosintètics oxigènics, estan produint oxigen, i per tant, cal tenir la nitrogenasa aïllada en aquests heterocists, que fixen nitrogen i no fan fotosíntesi.
• Aeròbics simbiòtics de plantes, com Rhizobium dels nòduls de lleguminoses on el compost leghemoglobina segresta l’oxigen.

Es dona la paradoxa que Trichodesmium, malgrat ser un cianobacteri fotosintètic oxigènic, i per tant produir oxigen i ser fixador de N₂, no té heterocists, si bé no és l’únic gènere amb aquestes característiques (Bergman et al 1997). Enlloc dels heterocists, la fixació de nitrogen a Trichodesmium té lloc a unes cèl·lules relativament especialitzades, els diazòcits, que contenen la nitrogenasa però no tenen parets cel·lulars engruixides (Figura 5). Com veiem, la zona de diazòcits no té grànuls, és més clara, es tenyeix diferent de la resta i on es detecta per immunofluorescència la presència de la proteïna NifH de la nitrogenasa (Bergman et al 2013).

Figura 5. Característiques morfològiques dels tricomes de Trichodesmium. (a) Colònia de T. erythraeum amb els tricomes alineats; barra d’escala 25 μm. (b) Tricoma amb el DNA de les cèl·lules tenyit blau fluorescent de diamidino-fenil-indol; la zona central de diazòcits està senyalada, amb absència de grànuls grocs de polifosfat; barra d’escala 20 μm. (c) Tricomes tenyits amb lugol on les parts centrals menys tenyides són els diazòcits on s’han consumit les reserves de glúcids; barra d’escala 20 μm. (d) Immunolocalització fluorescent de la proteïna NifH de la nitrogenasa als diazòcits, a les parts centrals dels tricomes; barra d’escala 10 μm (Imatge treta de Bergman et al 2013).

En els cianobacteris amb heterocists, la fixació de nitrogen i la fotosíntesi es produeixen simultàniament, durant el dia amb llum, perquè els dos processos se separen en l’espai utilitzant els heterocists per protegir l’enzim nitrogenasa sensible de l’oxigen. L’energia que cal als heterocists és aportada per les altres cèl·lules que realitzen la fotosíntesi. Alguns altres cianobacteris, els menys, fan la separació en el temps fent fotosíntesi durant el dia i fixant N₂ per la nit. 

En canvi, les zones de diazòcits de Trichodesmium no tenen la protecció estructural dels heterocists i la quasi inexistent separació temporal entre els dos processos és peculiar i única entre els diazòtrofs. Així, la nitrogenasa dels diazòcits és activa durant les hores de llum, però sobretot amb un màxim al migdia, coincidint amb una baixada en la captació de CO₂ i la producció d’O₂, i un augment dels mecanismes segrestadors d’O₂. Aquests serien d’una banda l’esmentada protecció respiratòria —amb augment de l’activitat citocrom c oxidasa—, i a més l’anomenada reacció de Mehler, també observada als cloroplasts de plantes, que és la reducció de l’O₂ a H₂O₂ per electrons del fotosistema I, on aquest és acoblat reversiblement al fotosistema II. Tot seguit el H₂O₂ és reduït per algun dels sistemes antioxidants propis. Per tant, sorprenentment la fixació de N₂ depèn de l’activitat dels fotosistemes a Trichodesmium (Bergman et al 2013).

———————

ELS AGREGATS DE TRICHODESMIUM

Aquest cianobacteri es troba als oceans o bé en forma de filaments multicel·lulars dispersos, o bé en forma d’agregats que comprenen centenars de filaments, amb l’aspecte final comentat de flocs o colònies (Figures 3 i 5a). L’agregació de filaments passa sobretot durant el dia amb llum, després de la fase exponencial de creixement, i també en situacions d’estrès per canvis en les condicions ambientals, com la mancança de fosfat o ferro. Els agregats, com a flocs que són, permeten una ràpida migració vertical cap al fons, sobretot per tal de capturar fosfat. A la superfície assimilen i acumulen C i N i un cop al fons, uns 100-200 m, capturen el fòsfor que manca a la superfície (Rodríguez 2017). Els agregats alhora creen microambients subòxics que redueixen la fixació de N₂ i de CO₂, però també faciliten la captació de ferro que alhora permet recuperar la fixació de N₂ simultània amb la fotosíntesi (Pfreundt et al 2023).

Recentment s’ha vist que la formació dels agregats a partir dels filaments individuals pot ser molt ràpida i deguda a canvis bruscos en la llum com pot ser el pas de núvols (Figura 6), i que les agregacions són degudes a canvis en la motilitat dels filaments individuals, per tal de disposar-se en contacte i solapant-se uns amb els altres, el que es coneix com a tigmotàxia o orientació per contacte (Figura 5a). Quan dos filaments es toquen, rellisca un damunt de l’altre, i en direcció contrària un de l’altre per tal d’anar augmentant la mida de l’agregat, i quant més freqüents són les reversions, més dens és el floc (Pfreundt et al 2023).

Figura 6. Canvi de densitat d’un agregat de Trichodesmium en forma de floc en funció de la llum (tret de Pfreundt et al 2023).

———————

NO NOMÉS EL NITROGEN, TAMBÉ EL FERRO I EL CARBONI

La biodisponibilitat del ferro (Fe) limita el creixement del fitoplàncton a mar obert dels vastos oceans. La pols transportada per l’atmosfera des dels deserts a la superfície dels oceans és rica en Fe però aquest és poc biodisponible perquè és poc soluble en aigua de mar i la pols s’enfonsa ràpidament per sota de la zona fòtica on és el fitoplàncton. 

L’excepció es Trichodesmium, perquè les seves colònies o flocs capturen les partícules d’aquesta pols i simbiòticament amb altres bacteris associats promouen la dissolució de la pols i la captació del Fe mitjançant sideròfors (Figura 7) (Basu et al 2019). En quant a la contribució de la pols del Sàhara a l’oceà Atlàntic s’ha demostrat la relació amb la proliferació de Trichodesmium al voltant de les Canàries (Figura 8) (Ramos et al 2005).

Figura 7. Esquema del sistema de captació de Fe lligat a partícules de pols per part de les colònies de Trichodesmium associades amb altres bacteris. a Rellevància ambiental de Trichodesmium, que fertilitza els oceans. b Trichodesmium forma extenses proliferacions als oceans pobres en nutrients dissolvent la pols dipositada. c Interaccions de les colònies de  Trichodesmium amb bacteris que produeixen sideròfors que capten Fe de la pols i aquest és aprofitat pel cianobacteri i els altres bacteris (Figura treta de Basu et al 2019).

Figura 8. Esquerra: la pols del Sàhara dispersant-se per l’Atlàntic (imatge del satèl·lit NOAA-20 de la NASA, juny 2020). Dreta: clorofil·la (color verd) detectada per satèl·lit l’1 d’agost 2004, on es veu el corrent que arrossega proliferacions de T. erythraeum des de l’aflorament a la costa d’Àfrica cap a les Canàries (imatge de Ramos et al 2005).

I a més a més, el cianobacteri Trichodesmium contribueix directament en l’exportació i segrest de carboni al llit marí. Fins ara se sabia que aquests microorganismes reciclaven el CO₂ captat de l’atmosfera mitjançant la fotosíntesi, però no que també se l’enduien amb ells a les profunditats quan moren i s’enfonsen, com sí que ho fa la resta del fitoplàncton, és a dir, els eucariotes. Això s’anomena la bomba biològica de carboni, i d’aquesta manera s’emmagatzema al llit marí aproximadament el doble de carboni del que es troba actualment a l’atmosfera. Fins ara això s’atribuïa quasi exclusivament al fitoplàncton eucariota, i els models biogeoquímics globals, és a dir, les eines que s’utilitzen per fer prediccions sobre l’evolució i els fluxos de carboni al planeta, no tenen en compte la contribució directa dels diazòtrofs com Trichodesmium en aquest procés (Cornejo 2022, Bonnet 2022).

———————

CONCLUSIÓ

Per concloure, es pot dir que el cianobacteri Trichodesmium és un dels organismes més abundants dels ambients marins, és part substancial del fitoplàncton i per tant molt important productor primari. És el fixador de nitrogen més rellevant al mar, i un dels més importants per als cicles biogeoquímics globals de nitrogen, carboni, fòsfor i ferro. I a més, té una variable i complexa estructura d’agrupaments, i és encara poc conegut del punt de vista de funcionament del seu metabolisme i de regulació del seu gran genoma, malgrat ser procariota.

———————

BIBLIOGRAFIA

Basu S et al (2019) Colonies of marine cyanobacteria Trichodesmium interact with associated bacteria to acquire iron from dust. Comm Biol 2, 28

Bergman B et al (1997) N₂ fixation by non-heterocystous cyanobacteria. FEMS Microbiol Rev 19, 139–185

Bergman B et al (2013) Trichodesmium –a widespread marine cyanobacterium with unusual nitrogen fixation properties. FEMS Microbiol Rev 37, 286–302

Bonnet S et al (2022) Diazotrophs are overlooked contributors to carbon and nitrogen export to the deep ocean. The ISME Journal, 1-12

Capone DG et al (1997) Trichodesmium, a Globally Significant Marine Cyanobacterium. Science 276, 1221-1229

Cornejo FM (2022) Els bacteris marins diazòtrofs, petits grans aliats contra el canvi climàtic. Institut de Ciències del Mar ICM-CSIC, 18 oct. 2022

Huisman et al (2018) Cyanobacterial blooms. Nature Rev Microbiol 16, 471-483

Le Page M (2023) Ocean-fertilising bacteria work together to adapt to light levels. New Scientist, 25 May 2023

MicrobeWiki (2010) Trichodesmium. A Microbial Biorealm page, Kenyon College, 6 Aug 2010

Partensky F et al (1999) Prochlorococcus, a marine photosynthetic prokaryote of global significance. Microbiol Mol Biol Rev 63, 106-127

Pfreundt U et al (2023) Controlled motility in the cyanobacterium Trichodesmium regulates aggregate architecture. Science 380,830-835

Ramos AG et al (2005) Bloom of the marine diazotrophic cyanobacterium Trichodesmium erythraeum in the Northwest African Upwelling. Marine Ecol Progress Series 301, 303-305

Rodríguez F (2017) Más respuestas sobre Trichodesmium. Blog Fitopasión, 1 agosto 2017

Wikipedia contributors (2023, May 28). Cyanobacteria. Wikipedia, The Free Encyclopedia

Wikipedia contributors (2022, July 18). Trichodesmium. Wikipedia, The Free Encyclopedia

WHOI, Woods Hole Oceanographic Institution (2023) The many faces of Trichodesmium