De la microbiologie pour ceux qui ont les crocs
Un abondant microbe marin fabrique son propre oxygène
L’un des organismes les plus abondants de la Terre se développe dans les eaux profondes de la zone crépusculaire de l’océan. Il s’agit d’un groupe d’organismes unicellulaires microscopiques appelés archées oxydant l’ammoniac (“ammonia oxidizing archaea” ou “AOA”). Des centaines de milliers à des millions de cellules d’AOA occupent un seul litre d’eau de mer profonde, où elles représentent 40 % de toutes les cellules microbiennes. Environ dix octillions (10^28) d’ AOA se trouvent dans les océans de la Terre.
Dans certaines régions des océans du monde, les AOA sont très abondantes à des profondeurs où l’eau de mer est très pauvre en oxygène. Parmi les environnements où une forte abondance d’AOA coïncide avec des eaux à faible teneur en oxygène, citons la mer Noire, le Pacifique sud tropical oriental, la mer d’Okhotsk et le golfe de Californie. Cette observation a laissé les scientifiques perplexes, car les AOA ont besoin d’oxygène pour se développer. Une nouvelle étude publiée dans Science au début de l’année pourrait contribuer à expliquer comment les AOA survivent dans des eaux pauvres en oxygène.
Les AOA sont nommées d’après leur méthode de croissance. Elles transforment le carbone inorganique dissous dans l’eau de mer en biomasse (“fixation du carbone”). Les AOA obtiennent l’énergie nécessaire à la fixation du carbone en convertissant l’ammoniac en nitrite à l’aide d’oxygène. L’ammoniac est “oxydé” dans cette réaction car il perd des électrons qui sont gagnés à leur tour par l’oxygène. Selon Beate Kraft, microbiologiste marin à l’université du Danemark du Sud, qui a dirigé les recherches, “il y avait cette énigme selon laquelle [les AOA] sont en fait fréquemment trouvées dans les eaux [à faible teneur en oxygène], mais elles ne devraient théoriquement pas pouvoir y survivre car elles ont besoin d’oxygène.”
L’équipe de Kraft a mesuré comment des cultures pures d’une espèce d’AOA, Nitrosopumilus maritimus, se développent à des concentrations d’oxygène faibles dans certaines régions de l’océan profond. Une fois que l’organisme a utilisé tout l’oxygène disponible, l’équipe de Kraft a constaté quelque chose de surprenant. Les niveaux d’oxygène dans la culture ont commencé à augmenter.
Kraft et ses collègues pensent que l’organisme produit son propre oxygène pour se développer et persister dans les eaux pauvres en oxygène. La preuve en est que l’organisme a produit du nitrite (le déchet de l’oxydation de l’ammoniac) en tandem avec l’oxygène. L’organisme a produit plus de nitrite que ce qui aurait été possible avec les niveaux d’oxygène dans les cultures. L’organisme a donc dû utiliser immédiatement une partie de l’oxygène produit pour oxyder l’ammoniac. Les expériences de contrôle ont exclu les réactions abiotiques et la contamination par l’air comme sources d’oxygène et ont confirmé que l’oxygène était consommé pendant l’oxydation de l’ammoniac.
Les scientifiques ne comprennent toujours pas complètement comment l’AOA produit de l’oxygène. Kraft et ses collègues ont proposé que l’organisme produise de l’oxygène en convertissant d’abord le nitrite en oxyde nitrique. A partir de quatre molécules d’oxyde nitrique, l’organisme crée ensuite deux molécules d’oxyde nitreux et une molécule d’oxygène (Figure 2). Enfin, l’organisme convertit le protoxyde d’azote en azote gazeux (figure 2). Cette idée est confirmée par le fait que les cultures d’AOA de Kraft ont produit de l’oxyde nitrique, de l’oxyde nitreux et de l’azote gazeux, et que certaines bactéries fabriquent de l’oxygène à partir de l’oxyde nitrique pour se développer dans des environnements pauvres en oxygène. Cependant, les AOA n’ont définitivement que des enzymes pour convertir le nitrite en oxyde nitrique. Kraft attribue les autres réactions de la voie proposée à des enzymes non encore identifiées.
La chimie de cette nouvelle voie de production d’oxygène pourrait limiter les endroits où elle peut se produire. Dans cette nouvelle voie, les AOA produisent une molécule d’oxygène à partir de quatre molécules de nitrite. Mais les AOA ont besoin de six molécules d’oxygène pour fabriquer quatre molécules de nitrite à partir d’ammoniac. Ainsi, la nouvelle voie ne peut pas être une source nette d’oxygène à moins qu’un surplus de nitrite soit disponible au-delà de ce que les AOA produisent à partir de l’ammoniac (Figure 2).
Dans les cultures de laboratoire, le nitrite s’est accumulé à cause de l’oxydation antérieure de l’ammoniac avec des niveaux d’oxygène initialement élevés. Dans l’océan, l’excès de nitrite pourrait être plus difficile à trouver. Selon James Hollibaugh, écologiste microbien et professeur émérite de l’université de Géorgie, “[la production d’oxygène de l’AOA] doit être soutenue par des nitrites provenant d’une autre source que l’oxydation de l’ammoniac elle-même, et il n’y a pas beaucoup d’endroits dans l’océan où l’on trouve ces conditions.”
Dans certaines eaux pauvres en oxygène, les nitrites s’accumulent dans ce que les océanographes appellent un “maximum secondaire de nitrites”. Il s’agit d’une zone de la colonne d’eau en profondeur où les nitrites atteignent des concentrations maximales. Selon M. Kraft, “c’est là que d’autres processus de consommation de nitrites sont les plus actifs, et le nitrite est utilisé par de nombreux microbes différents”. Si les AOA sont la principale source de nitrite dans certains endroits, le nitrite peut également s’accumuler à partir d’autres processus. “Il s’agit de nitrites supplémentaires que [les AOA] pourraient utiliser”, a déclaré Kraft.
Cependant, la concurrence avec d’autres microbes peut également limiter les endroits de l’océan où les AOA produisent de l’oxygène (figure 3). Dans les régions de l’océan pauvres en oxygène, les nitrites s’accumulent à de faibles concentrations, et de nombreux autres microbes peuvent concurrencer les AOA pour tout surplus de nitrites. Par exemple, Hollibaugh pense que les bactéries dénitrifiantes (bactéries qui peuvent “respirer” le nitrite) utilisent probablement le nitrite plus rapidement que les AOA et à des niveaux d’oxygène plus élevés.
M. Kraft reconnaît que les interactions avec d’autres microbes compliquent la question de savoir si l’AOA pourrait utiliser la voie de production d’oxygène dans l’environnement. Justyna Hampel, écologiste microbienne et biogéochimiste à l’université de Stockholm, partage ce sentiment. “Les résultats des expériences en culture sont passionnants, mais nous devons être prudents lorsque nous [extrapolons des cultures pures à] l’environnement naturel.”
La prochaine étape de la recherche consiste à confirmer que les AOA produisent effectivement de l’oxygène et utilisent des nitrites dans des environnements naturels à faible teneur en oxygène. Selon Kraft, “il ne s’agit encore que de spéculations. Nous disposons maintenant de quelques projets de recherche supplémentaires qui nous permettront d’étudier leur rôle et leur importance dans l’environnement. . . C’est un nouveau puzzle sur lequel nous devons travailler”.
Image de couverture: Image by Derek Smith
Traduit par Lucie Malard
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