La geologia e l’uso del territorio modellano le comunità microbiche delle acque sotterranee che ciclano azoto e zolfo nelle falde acquifere delle isole del Pacifico

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Dec 01, 2023

La geologia e l’uso del territorio modellano le comunità microbiche delle acque sotterranee che ciclano azoto e zolfo nelle falde acquifere delle isole del Pacifico

ISME Communications volume 3,

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 58 (2023) Citare questo articolo

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Le popolazioni insulari con risorse limitate hanno prosperato alle Hawaii per oltre un millennio, ma ora devono affrontare nuove sfide aggressive alle risorse fondamentali, tra cui la sicurezza e la sostenibilità delle risorse idriche. Caratterizzare la comunità microbica negli ecosistemi delle acque sotterranee è un approccio potente per dedurre i cambiamenti derivanti dagli impatti umani dovuti alla gestione del territorio nelle falde acquifere complesse idrogeologiche. In questo studio, investighiamo come la geologia e la gestione del territorio influenzano la geochimica, la diversità microbica e le funzioni metaboliche. Abbiamo campionato un totale di 19 pozzi nell'arco di 2 anni attraverso lo spartiacque Hualālai di Kona, Hawaii, analizzando la geochimica e le comunità microbiche mediante sequenziamento dell'amplicone di rRNA 16S. L'analisi geochimica ha rivelato un livello di solfato significativamente più elevato lungo la zona del rift vulcanico nordoccidentale e un elevato livello di azoto (N) correlato all'elevata densità dei sistemi di smaltimento delle acque reflue in loco (OSDS). In 220 campioni sono state identificate in totale 12.973 varianti di sequenza amplicone (ASV), tra cui 865 ASV classificate come presunti ciclisti N e zolfo (S). I ciclisti N e S erano dominati da un presunto S-ossidante accoppiato alla completa denitrificazione (Acinetobacter), significativamente arricchito fino a 4 volte rispetto ai campioni raggruppati per geochimica. La presenza significativa di Acinetobacter deduce il potenziale di biorisanamento delle acque sotterranee vulcaniche per l’S-ossidazione e la denitrificazione accoppiate guidate dai microbi, fornendo un servizio ecosistemico per le popolazioni insulari dipendenti dalle falde acquifere sotterranee.

I microbi svolgono un ruolo regolatore nelle complesse interazioni tra idrologia, geologia e uso del territorio [1, 2], determinando una biogeochimica delle acque sotterranee altamente variabile. I microbi nelle falde acquifere sotterranee rappresentano circa il 40% della vita microbica della Terra [3, 4] e sono cruciali per i servizi ecosistemici, inclusa la fornitura di acqua potabile pulita. Le comunità microbiche del sottosuolo migliorano la qualità dell’acqua scomponendo il materiale organico e riciclando azoto (N), zolfo (S) e ferro (Fe) [5]. A differenza della strutturazione redox dei sistemi sedimentari, le reazioni redox opposte si verificano contemporaneamente in microambienti unici (ad esempio, biofilm, particelle) dando luogo a un microbioma diversificato delle acque sotterranee in grandi habitat acquatici sotterranei [6, 7]. Di conseguenza, l’uso di composti inorganici come fonti di energia (chemolitoautotrofia) sono vie metaboliche molto comuni negli ecosistemi delle acque sotterranee, spesso legate ai cicli del carbonio (C), dell’idrogeno (H) e dello zolfo (S) con ossigeno (O) e nitrati. (NO3−) come gli accettori di elettroni più utilizzati [1]. In uno dei pochi studi sul microbioma condotti nelle falde acquifere profonde delle Hawaii, l’analisi ha rivelato un’elevata diversità funzionale caratterizzata principalmente da metabolici chemiolitotrofi [8].

Caratterizzare la comunità microbica degli ecosistemi delle acque sotterranee è un approccio potente per dedurre i cambiamenti geochimici derivanti dagli impatti umani e dall’uso del suolo in falde acquifere idrogeologicamente complesse [9, 10]. I cambiamenti nella struttura e nella diversità della comunità microbica del sottosuolo possono avvisare gli utenti della diminuzione della qualità dell’acqua, perché i microbi nel sottosuolo reagiscono rapidamente alle alterazioni del loro ambiente dovute a cambiamenti nell’uso del territorio e/o a contaminanti, con conseguente diminuzione della diversità e percorsi biogeochimici accorciati [11, 12]. Ciò è particolarmente importante alle Hawaii poiché tutte le risorse idriche dipendono quasi interamente dalle acque sotterranee. Circa l'89% della fornitura di acqua potabile delle Hawai'i si trova in risorse idriche sotterranee, con contributi minimi provenienti dalle acque superficiali (ad esempio, bacini idrici, captazioni pluviali) [13] e attività di desalinizzazione su piccola scala. Le Hawaii hanno il maggior numero di pozzi neri pro capite negli Stati Uniti [14]. L'inquinamento da fonti non puntuali derivante dai sistemi personali di smaltimento delle acque reflue in loco (OSDS, pozzi neri) e dall'agricoltura sono le due principali fonti di nutrienti di origine umana che hanno un impatto sugli ecosistemi costieri e sono stati riconosciuti come i principali problemi ambientali alle Hawaii [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>