Fissazione dell’azoto

2.1 Fissazione dell’azoto

La fissazione dell’azoto (vedi anche il capitolo 4 di Carpenter e Capone, questo volume), il processo attraverso il quale alcuni procarioti possono ridurre il gas N2 atmosferico ad ammonio attraverso le vie dell’enzima nitrogenasi, è stato a lungo ritenuto un importante perno del ciclo dell’azoto e della produttività nei sistemi delle barriere coralline (D’Elia e Wiebe, 1999; Larkum et al, 1988 Fig. 21.1A). La prima dimostrazione diretta dell’importanza della fissazione dell’azoto negli ambienti corallini da parte dei cianobatteri (originariamente ipotizzata da Odum e Odum, 1955), fu nel progetto Symbios (Crossland e Barnes, 1976; Hanson e Gundersen, 1977; Wiebe et al., 1975). In effetti, la fissazione dell’azoto è stata successivamente posta come “una componente importante del ciclo dell’azoto sulle scogliere coralline che può alleviare la limitazione di N e dare un contributo globalmente significativo agli apporti complessivi di N marino” (Capone, 1996a).

Molti studi dagli anni ’70 hanno trovato alti tassi di fissazione dell’azoto (vedi anche Capitolo 4 Capone e Carpenter, questo volume). Infatti, la fissazione dell’azoto sulle barriere coralline è stata riportata a tassi che a volte superano quelli delle colture intensive di legumi (Szmant, 2002; Webb et al., 1975). Questo processo energeticamente impegnativo nei cianobatteri è alimentato dall’alto flusso di luce e dal fosforo riciclato. L’attività diazotrofa eterotrofa è sostenuta da una combinazione di P riciclato e materia organica (D’Elia, 1988).

Oltre alla fissazione dell’azoto associata ai sedimenti estesi in e intorno alle distese coralline (Capone et al., 1992; Corredor e Morrell, 1985; O’Neil e Capone, 1989; Wilkinson et al., 1984; Mayajima et al., 2001; Hewson e Fuhrman, 2006; Werner et al, 2008), l’attività di fissazione dell’azoto è stata rilevata associata a coralli vivi (Williams et al., 1987; Lesser et al., 2007), e scheletri di corallo (Crossland e Barnes, 1976; Larkum, 1988; Shashar et al., 1994a,b; Davey et al., 2008) così come con epifite su macroalghe (Capone et al., 1977; France et al., 1998; O’Neil e Capone, 1996) e da tappeti cianobatterici. L’attività della nitrogenasi è stata misurata anche sulle superfici delle scogliere calcaree (Charpy-Roubaud et al., 2001), comprese le aree esposte dei bordi degli atolli di vario tipo, in gran parte attribuibili ai cianobatteri. Nella laguna di Tikehau, Polinesia francese, per esempio, la fissazione dell’azoto su queste superfici rappresentava il 25-28% della domanda totale di azoto per la produttività primaria bentonica (Charpy-Roubaud et al., 2001; Charpy-Roubaud e Larkum, 2005). I tassi di fissazione dell’azoto nei sedimenti, anche se inferiori ai tassi in aree localizzate o in stuoie di cianobatteri (Iizumi et al., 1990; Charpy et al., 2000; Bauer et al., 2008), quando integrati nella grande estensione areale degli ambienti sedimentari possono dare un contributo significativo all’economia complessiva dell’azoto delle barriere coralline (Capone, 1996a; Capone et al., 1992; O’Neil e Capone, 1989). Le basse firme δ15N notate nelle macrofite della barriera e nei tessuti dei coralli forniscono ulteriori prove che gran parte dell’azoto nei sistemi della barriera è derivato dalla fissazione dell’azoto (France et al., 1998; Yamamuro et al., 1995). La fissazione dell’azoto può avvenire anche nella laguna degli atolli corallini e può contribuire all’economia dell’azoto in questi sistemi. Biegala e Raimbault (2008) hanno recentemente riportato le densità relativamente elevate di cianobatteri coccoidi diazotrofi nelle acque lagunari coralline della Nuova Caledonia.

I tassi di fissazione dell’azoto negli ambienti corallini sono variabili e possono essere influenzati dalla presenza di pascoli. Il pascolo di Acanther plancii, la stella di mare corona di spine, sui coralli ha portato ad alti tassi di fissazione dell’azoto sugli scheletri dei coralli dopo lo scoppio di questa stella di mare (Larkum, 1988). Allo stesso modo, il riccio di mare Diadema antillarum ha dimostrato di aumentare significativamente la fissazione dell’azoto quando pascola sul “tappeto erboso algale” in ambienti di barriera, rispetto alle aree in cui non sono presenti ricci di mare. Il “minuscolo” assemblaggio del “tappeto erboso algale” strettamente tagliato conteneva una proporzione significativa di cianobatteri oltre a diatomee bentoniche e dinoflagellati (Williams e Carpenter, 1997). I grazers aiutano anche nel ciclo dell’azoto escretando rifiuti azotati che migliorano il tappeto erboso algale, mentre simultaneamente lo coltivano (Williams e Carpenter, 1997 vedi sotto). Il pascolo dei pesci può anche essere importante per mantenere i tassi di fissazione dell’azoto sui reef, tenendo sotto controllo altre alghe bentoniche. Alcuni cianobatteri diazotrofi sono meno appetibili di altre alghe, poiché spesso hanno deterrenti chimici, e tendono anche ad essere meno completi dal punto di vista nutrizionale, mancando di alcuni acidi grassi essenziali, e quindi le macroalghe sono spesso preferite dai grazers (Capper et al., 2005; O’Neil, 1999). Pertanto, i cianobatteri possono avere meno competizione per lo spazio di crescita ed espandersi in aree dove le specie più appetibili sono state rimosse dai grazers (Wilkinson e Sammarco, 1983).

Una frazione importante della fissazione totale dell’azoto bentonico su scala globale può provenire da ambienti corallini poco profondi (Capone, 1983). Tuttavia, mentre i tassi di fissazione dell’azoto pelagico sono stati costantemente affinati da indagini sul cianobatterio filamentoso Trichodesmium (Capone et al., 2005), nuovi approcci geochimici (Mahaffey, 2005), e il riconoscimento emergente di altri importanti contributori come i fissatori di azoto unicellulari (Montoya et al., 2004), la fissazione dell’azoto in ambienti di barriera corallina rimane sotto-campionata e probabilmente sottostimata. La fissazione dell’azoto da parte di cianobatteri bentonici o simbiotici (Charpy et al., 2007; Lesser et al., 2007; Bauer et al., 2008; Davey et al, 2008) così come i batteri eterotrofi compresi quelli epifiti su macroalghe e superfici coralline (Davey et al., 2008), devono ancora essere completamente chiariti (Koop et al., 2001; O’Neil e Capone, 1989, 1996; Hewson et al., 2007; Werner et al., 2008). La comunità diazotrofa potrebbe infatti cambiare come conseguenza dell’eutrofizzazione costiera. La fissazione dell’azoto potrebbe diminuire a causa del carico di azoto, o aumentare in risposta all’apporto di fattori limitanti come il fosforo o micronutrienti come il Fe, alla diminuzione dei rapporti di carico N:P, o come risultato del carico organico e della stimolazione della fissazione eterotrofa di N2 direttamente attraverso la fornitura di substrati organici o indirettamente attraverso l’aumento delle zone anossiche locali.

La malattia della banda nera (BBD), che è causata da un consorzio di cianobatteri e microbi può essere diazotrofica (Frias-Lopez et al, 2002, 2003). Questa ipotesi è stata recentemente suggerita da uno studio molecolare delle comunità batteriche associate alla BBD che ha prodotto una sequenza 16sRNA omologa al 97% con il cianobatterio pelagico fissatore di azoto Trichodesmium tenue. Questo ha portato gli autori a ipotizzare che la fissazione dell’azoto potrebbe essere effettuata nelle microzone impoverite di ossigeno del gruppo BBD (Frias-Lopez et al., 2002). E’ necessario altro lavoro per testare questa ipotesi in modo rigoroso, dato che un lavoro successivo su Phormidium corallyticum (ex Oscillatoria corallinae) isolato da coralli della Florida con BBD è risultato negativo per l’attività di fissazione dell’azoto (riduzione dell’acetilene) (Richardson e Kuta, 2003).

Sono state segnalate simbiosi diazotrofiche invertebrate nei sistemi di barriera, comprese le spugne di barriera che acquisiscono azoto fisso attraverso cianobatteri associati (Wilkinson e Fay, 1979). Cianobatteri e batteri simbionti si trovano in quasi tutte le spugne marine (Mohamed et al., 2006; Thacker, 2005) e possono formare associazioni mutualistiche con gli ospiti soprattutto se il simbionte fornisce C o N fissi. Il cianobatterio Oscillatoria spongieliae è stato trovato all’interno di diverse specie di spugne tra cui la spugna di barriera Dysidea herbacea sulla Grande Barriera Corallina (GBR) (Flowers et al., 1998; Ridley et al., 2005). Il Synechococcus è stato descritto anche da diverse specie di spugne, che sono geneticamente distinte dalle specie planctoniche libere di Synechococcus (Thacker, 2005). In alcuni casi i prodotti metabolici (ad esempio, il carbonio fissato) sono trasferiti dal simbionte all’ospite (Arillo et al., 1993). Tuttavia, nella maggior parte dei casi le relazioni tra ospite e simbionte non sono ben definite (Ridley et al., 2005).

È stata anche studiata la potenziale traslocazione di N dai fissatori di azoto agli ospiti. L’attività della nitrogenasi è stata segnalata con un’associazione intatta Procholoron-Ascidian (Lissoclinum sp.) (Paerl, 1984), anche se l’attività non poteva essere rilevata direttamente dal simbionte isolato (Odintsov, 1991). È stato successivamente determinato che almeno una parte dell’N cellulare derivava (direttamente o indirettamente) dalla fissazione di N2, sulla base del basso rapporto isotopico 15N/14N nelle associazioni di Lissoclinum sp. (Kline e Lewin, 1999). I diazotrofi sono stati trovati anche associati a coralli (Frias-Lopez et al., 2002; Rohwer et al., 2001, 2002; Shashar et al., 1994a,b) con fissazione di azoto misurata in alcuni coralli vivi (Shashar et al., 1994a,b; Williams et al., 1987). Più recentemente la presenza di un cianobatterio coccoide diazotrofo è stata riportata anche nei tessuti di alcune specie del corallo Montastrea (Lesser et al., 2004). È interessante notare che è stato ulteriormente dimostrato attraverso le analisi δ N che le zooxantelle delle colonie caraibiche di Montastraea cavernosa che contengono i cianobatteri endosimbiotici acquisiscono N dai cianobatteri azotofissatori piuttosto che dal corallo ospite (Lesser et al., 2007).