A geologia e o uso da terra moldam as comunidades microbianas das águas subterrâneas cíclicas de nitrogênio e enxofre nos aquíferos das ilhas do Pacífico

ISME Communications volume 3, Número do artigo: 58 (2023) Citar este artigo

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Populações insulares com recursos limitados prosperaram no Havaí por mais de um milênio, mas agora enfrentam novos desafios agressivos para recursos fundamentais, incluindo a segurança e sustentabilidade dos recursos hídricos. Caracterizar a comunidade microbiana em ecossistemas de águas subterrâneas é uma abordagem poderosa para inferir mudanças de impactos humanos devido ao manejo da terra em aquíferos complexos hidrogeológicos. Neste estudo, investigamos como a geologia e o manejo da terra influenciam a geoquímica, a diversidade microbiana e as funções metabólicas. Amostramos um total de 19 poços ao longo de 2 anos na bacia hidrográfica de Hualālai em Kona, Havaí, analisando geoquímica e comunidades microbianas por sequenciamento de amplicon 16S rRNA. A análise geoquímica revelou sulfato significativamente mais alto ao longo da zona de fenda vulcânica noroeste e alto nitrogênio (N) correlacionado com alta densidade de sistemas de descarte de esgoto no local (OSDS). Um total de 12.973 Variantes de Sequência de Amplicon (ASV) foram identificados em 220 amostras, incluindo 865 ASVs classificados como cicladores de N e enxofre (S). Os cicladores de N e S foram dominados por um putativo S-oxidador acoplado a desnitrificação completa (Acinetobacter), significativamente enriquecido até 4 vezes comparativamente entre as amostras agrupadas por geoquímica. A presença significativa de Acinetobacter infere o potencial de biorremediação de águas subterrâneas vulcânicas para S-oxidação e desnitrificação acopladas por micróbios, fornecendo um serviço ecossistêmico para populações insulares dependentes de aquíferos subterrâneos.

Os micróbios desempenham um papel regulador nas complicadas interações entre hidrologia, geologia e uso da terra [1, 2], resultando em biogeoquímica de águas subterrâneas altamente variável. Os micróbios nos aquíferos subterrâneos representam aproximadamente 40% da vida microbiana da Terra [3, 4] e são cruciais para os serviços ecossistêmicos, incluindo o fornecimento de água potável. As comunidades microbianas do subsolo melhoram a qualidade da água decompondo o material orgânico e ciclando nitrogênio (N), enxofre (S) e ferro (Fe) [5]. Ao contrário da estruturação redox de sistemas sedimentares, reações redox opostas co-ocorrem em microambientes únicos (por exemplo, biofilmes, partículas), resultando em um microbioma diversificado de águas subterrâneas em grandes habitats aquáticos subterrâneos [6, 7]. Como resultado, o uso de compostos inorgânicos como fontes de energia (chemolithoautotrophy) são vias metabólicas muito comuns em ecossistemas de águas subterrâneas, muitas vezes ligadas a ciclos de carbono (C), hidrogênio (H) e enxofre (S) com oxigênio (O) e nitrato (NO3-) como os aceptores de elétrons mais amplamente utilizados [1]. Em um dos poucos estudos de microbioma conduzidos em aquíferos subterrâneos profundos do Havaí, a análise revelou alta diversidade funcional caracterizada principalmente por metabolismos quimiolitotróficos [8].

Caracterizar a comunidade microbiana dos ecossistemas de águas subterrâneas é uma abordagem poderosa para inferir mudanças geoquímicas resultantes de impactos humanos e uso da terra em aquíferos hidrogeologicamente complexos [9, 10]. Mudanças na estrutura e na diversidade da comunidade microbiana do subsolo podem alertar os usuários para a diminuição da qualidade da água, porque os micróbios no subsolo reagem rapidamente a alterações em seu ambiente devido a mudanças no uso da terra e/ou contaminantes, resultando em diminuição da diversidade e encurtamento dos caminhos biogeoquímicos [11, 12]. Isso é particularmente importante no Havaí, pois depende quase inteiramente das águas subterrâneas para todos os recursos hídricos. Aproximadamente 89% do abastecimento de água potável do Havaí está localizado em recursos hídricos subterrâneos, com contribuições mínimas de água superficial (ou seja, reservatórios, captação de chuva) [13] e atividades de dessalinização de pequena escala. O Havaí tem o maior número de fossas per capita nos Estados Unidos [14]. Poluição de fonte não pontual de sistemas pessoais de descarte de esgoto no local (OSDS, fossas) e agricultura são as duas principais fontes de nutrientes de origem humana que afetam os ecossistemas costeiros e foram reconhecidas como grandes problemas ambientais no Havaí [15,16 ,17,18].

3. Sequencing error probabilities were modeled with dada2's iterative learn errors function and denoised with an iterative partitioning algorithm with default parameters. Reads were merged and any pairs with an overlap of fewer than 20 bases, or with more than one mismatch, were discarded. Both the mothur v1.44.1 [57] and the Silva database (version 138) [58] were used to align and annotate sequences. Sequences with a start or stop position outside the 5th-95th percentile range (over all sequences) were discarded. Potential chimeras were removed with VSEARCH [59] as implemented in Mothur and assigned taxonomy using the RDP classifier [60]. ASVs with no taxonomic information at phylum level, or matching mitochondria or chloroplasts were discarded. Sequences can be referenced at BioProject ID: PRJNA819449. Statistical analysis was performed using the Phyloseq [61], Vegan [62], DESeq2 [63] factoextra [64], sf [50], and base statistical packages for R [65]. Nutrient and major ion concentrations were z-score transformed (mg L−1) prior to Principal Component Analysis (PCA). ASVs were subsampled to 2000 for Beta diversity (CCA, NMDS, PERMANOVA) analysis, and PERMANOVA tests were performed with 99999 permutations. An initial beta-diversity analysis was performed comparing the 0.8 and 0.2 µm 16S community and no significant difference (Permanova p > 0.5) was observed and therefore samples were combined for further analysis./p>

50% of overall relative abundances of groundwater samples. Beta-diversity of the microbial community was significantly different between PCA (S, N1, N2, N3) groups (PERMANOVA, p < 0.01; Supplementary Fig. 3). However, alpha-diversity (Pielou and Shannon indices) was not significantly different between PCA groups (Supplementary Fig. 4)./p>100%) has the potential for denitrification, compared to 9.3% at N1, 30.1% at N2 and 46.3% at N3./p>5000 years) due to either excess geothermal-derived inorganic C, or isolated flow paths resulting in decreased connectivity with the rest of the aquifer [77, 78]. Decreased recharge, and older age indicates a diminished likelihood of abiotic production of oxidized S species such as SO42−, and S2O32− from volcanic outgassing. However, biotic H2S oxidation rates have been shown to far exceed abiotic oxidation in both aerobic and anaerobic conditions [36], further suggesting that SO42− production in these samples may be produced by microbial activity./p>2 mg L−1 DO) in low carbon, low temperature systems where it can remove up to 40.2% of N as gas at a rate of 0.203 mg L−1 h−1 [84]. The high sulfate concentrations coupled with significantly lower NOx− in group S compared to groups N2 and N3, further supports our hypothesis that the electrons required for N-reduction originates from microbial oxidation of sulfur producing SO42− by Acinetobacter (S group) and possibly Thiobacillus (N1 group)./p>

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