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Embora um conceito fundamental da ecologia sugira que o ambiente físico determina onde os organismos podem sobreviver, cientistas modernos suspeitam que há mais na história de como as comunidades microbianas se formam no solo.
Em um novo estudo, pesquisadores determinaram, por meio de análises estatísticas e experimentos, que o pH do solo é um fator determinante da composição da comunidade microbiana, mas que a necessidade de abordar a toxicidade liberada durante o ciclo do nitrogênio acaba moldando a comunidade microbiana final.
“O ambiente físico está afetando a natureza das interações microbianas, e isso afeta a montagem da comunidade”, disse a coautora principal Karna Gowda, professora assistente de microbiologia na Ohio State University. “As pessoas na área entenderam que essas duas coisas devem ser importantes em algum nível, mas não havia muitas evidências para isso. Estamos adicionando alguma especificidade e mecanismos a essa ideia.”
O trabalho ajuda a esclarecer os fundamentos microbianos do ciclo global de nitrogênio e pode fornecer uma nova maneira de pensar sobre as emissões de óxido nitroso, um potente gás de efeito estufa, disse Gowda.
A pesquisa foi publicada recentemente em Microbiologia da Natureza.
Os micróbios mantêm o solo saudável e produtivo reciclando nutrientes, e são particularmente importantes para converter nitrogênio em formas que as plantas podem usar. Organismos subterrâneos que vivem no mesmo ambiente também são altamente interconectados, caçando uns aos outros, participando de trocas químicas e fornecendo benefícios à comunidade.
Para este trabalho, Gowda e colegas usaram um conjunto de dados de uma coleção mundial de amostras de solo superficial, sequenciando os genomas de micróbios presentes nas amostras e analisando características importantes do solo — como teor de nitrogênio e carbono e pH, uma medida da acidez do solo.
“Queríamos observar tendências que fossem generalizadas e que se manifestassem ao redor do planeta em ambientes muito diferentes”, disse Gowda.
Com bilhões de bactérias presentes em uma amostra de solo, os pesquisadores confiaram na composição genética das comunidades microbianas para determinar seus papéis funcionais.
A equipe se concentrou em genes que identificaram quais bactérias estavam envolvidas na desnitrificação — convertendo compostos de nitrogênio de formas biodisponíveis em óxido nitroso e gás dinitrogênio que é liberado na atmosfera. Uma análise de bioinformática mostrou que o pH do solo era o fator ambiental mais importante associado à abundância desses organismos.
Para testar a descoberta estatística, os pesquisadores conduziram experimentos de enriquecimento em laboratório, submetendo uma comunidade microbiana natural a diferentes condições de crescimento.
Durante a desnitrificação, enzimas específicas têm papéis na conversão de nitrato em vários compostos contendo nitrogênio. Uma dessas formas, o nitrito, é mais tóxico em solo ácido (baixo pH) do que em condições neutras com pH mais alto.
Os experimentos mostraram que cepas com enzimas chamadas Nar, associadas à criação de nitrito tóxico, e cepas com enzimas chamadas Nap, associadas ao consumo de nitrito, flutuaram com base na acidez do solo.
“Encontramos mais Nar em pH baixo e menos Nap, e vice-versa, conforme o pH do solo se moveu em direção ao neutro”, disse Gowda. “Então vemos dois tipos diferentes de organismos predominantes em pH ácido versus neutro, mas também descobrimos que isso não explica o que está acontecendo. Não é apenas o ambiente que determina quem está lá — é, na verdade, o ambiente mais as interações entre mais organismos na comunidade.
“Isso significa que o pH está afetando a interação entre organismos na comunidade de uma forma mais ou menos consistente — é sempre sobre a toxicidade do nitrito. E isso destaca como diferentes bactérias trabalham juntas para prosperar em níveis variados de pH do solo.”
Essa descoberta foi nova e importante, disse Gowda. Bactérias e outros microrganismos são conhecidos por serem movidos por uma vontade de sobreviver, mas eles também dependem uns dos outros para permanecerem seguros — e essa cooperação tem implicações para a saúde ambiental, sugere a pesquisa.
“Embora os efeitos individuais da aptidão desempenhem claramente um papel na definição de padrões em muitos contextos, as interações são provavelmente essenciais para explicar padrões em uma variedade de outros contextos”, escreveram os autores.
Entender como as interações e o ambiente afetam as emissões de óxido nitroso pode fornecer novos insights para reduzir esse potente gás de efeito estufa, disse Gowda: Bactérias desnitrificantes são fontes e sumidouros importantes de óxido nitroso em solos agrícolas. Embora estudos anteriores tenham se concentrado no comportamento desses organismos emissores de óxido nitroso em diferentes condições de pH, considerar suas interações ecológicas pode oferecer novas estratégias para reduzir as emissões.
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, pela Universidade de Chicago, pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais, pelo Prêmio de Bolsa de Pós-Doutorado da Fundação James S. McDonnell e pelo Prêmio de Bolsa Fannie e John Hertz.
Os coautores incluem Seppe Kuehn, Kyle Crocker, Kiseok Keith Lee, Milena Chakraverti-Wuerthwein e Zeqian Li da Universidade de Chicago; Mikhail Tikhonov da Universidade de Washington em St. Louis; e Madhav Mani da Universidade Northwestern.
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