Fixação de nitrogénio

2.1 Fixação de azoto

Fixação de azoto (ver também Capítulo 4 por Carpenter e Capone, este volume), o processo pelo qual certos procariotas podem reduzir o gás N2 atmosférico ao amónio através das vias enzimáticas da nitrogenase há muito que se pensa ser um importante pivô do ciclo do azoto e da produtividade nos sistemas de recifes de coral (D’Elia e Wiebe, 1999; Larkum et al, 1988 Fig. 21.1A). A primeira demonstração directa da importância da fixação de nitrogénio em ambientes de recife por cianobactérias (originalmente hipotética por Odum e Odum, 1955), foi no projecto Symbios (Crossland e Barnes, 1976; Hanson e Gundersen, 1977; Wiebe et al., 1975). De facto, a fixação de nitrogénio foi subsequentemente posicionada como “um componente proeminente do ciclo do nitrogénio nos recifes de coral que pode aliviar a limitação de N e dar uma contribuição global significativa para a entrada global de N marinho” (Capone, 1996a).

Muitos estudos desde os anos 70 encontraram taxas elevadas de fixação de nitrogénio (ver também Capítulo 4 Capone e Carpenter, este volume). De facto, a fixação de nitrogénio nos recifes de coral tem sido relatada a taxas por vezes superiores às das culturas intensivas de leguminosas (Szmant, 2002; Webb et al., 1975). Este processo energeticamente exigente nas cianobactérias é alimentado pelo elevado fluxo luminoso e pelo fósforo reciclado. A actividade diazotrófica heterotrófica é suportada por uma combinação de P reciclado e matéria orgânica (D’Elia, 1988).

Além da fixação de azoto associada aos sedimentos extensivos nos e em redor dos recifes de coral (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), foi detectada actividade de fixação de azoto associada a corais vivos (Williams et al., 1987; Lesser et al., 2007), e esqueletos de coral (Crossland e Barnes, 1976; Larkum, 1988; Shashar et al., 1994a,b; Davey et al., 2008), bem como com epífitas sobre macroalgas (Capone et al., 1977; France et al., 1998; O’Neil e Capone, 1996) e por tapetes de cianobactérias. A actividade da nitrogenase também tem sido medida em superfícies de recifes de calcário (Charpy-Roubaud et al., 2001), incluindo áreas expostas de atóis de vários tipos, em grande parte atribuíveis a cianobactérias. Na lagoa Tikehau, Polinésia Francesa, por exemplo, a fixação de azoto nestas superfícies representou 25-28% da procura total de azoto para a produtividade primária bentónica (Charpy-Roubaud et al., 2001; Charpy-Roubaud e Larkum, 2005). Taxas de fixação de azoto nos sedimentos, enquanto que taxas inferiores às taxas em áreas localizadas ou em tapetes de cianobactérias (Iizumi et al., 1990; Charpy et al., 2000; Bauer et al., 2008), quando integradas sobre a grande extensão areal dos ambientes sedimentares podem dar uma contribuição significativa para a economia global de azoto dos recifes de coral (Capone, 1996a; Capone et al., 1992; O’Neil e Capone, 1989). As baixas assinaturas δ15N registadas em macrófitas de recife e tecido de coral fornecem mais provas de que muito do azoto nos sistemas de recife é derivado da fixação de azoto (France et al., 1998; Yamamuro et al., 1995). A fixação de nitrogénio também pode ocorrer na lagoa de atóis de coral e pode contribuir para a economia de nitrogénio nestes sistemas.

A fixação de nitrogénio também ocorre nas águas lagunares dos recifes de coral e isto pode contribuir para a economia de nitrogénio destes sistemas também. Biegala e Raimbault (2008) relataram recentemente as densidades relativamente elevadas de cianobactérias coccóides diazotróficas nas águas lagunares de coral da Nova Caledónia.

As taxas de fixação de azoto em ambientes de recifes são variáveis e podem ser afectadas pela presença de grazers. A pastagem por Acanther plancii, a coroa de estrelas-do-mar de espinhos nos corais resultou em altas taxas de fixação de azoto nos esqueletos de coral após o surto desta estrela-do-mar (Larkum, 1988). Da mesma forma, o ouriço-do-mar Diadema antillarum demonstrou aumentar significativamente a fixação de azoto quando pastava em “relva de algas” em ambientes de recife, em comparação com áreas onde não havia ouriços-do-mar presentes. O conjunto “diminuto” de “relva de algas” de corte apertado continha uma proporção significativa de cianobactérias, para além de diatomáceas bentónicas e dinoflagelados (Williams e Carpenter, 1997). Os grazers também ajudam no ciclo do azoto, excretando resíduos nitrogenados que melhoram a relva de algas, ao mesmo tempo que a cultivam (Williams e Carpenter, 1997 ver abaixo). A pastagem de peixe também pode ser importante na manutenção das taxas de fixação de azoto nos recifes, ao manter outras algas bentónicas sob controlo. Algumas cianobactérias diazotróficas são menos palatáveis do que outras algas, uma vez que têm frequentemente dissuasores químicos, e também tendem a ser menos completas do ponto de vista nutricional, carecendo de alguns ácidos gordos essenciais, pelo que as macroalgas são frequentemente preferidas pelos grazers (Capper et al., 2005; O’Neil, 1999). Portanto, as cianobactérias podem ter menos competição pelo espaço de cultivo e expandir-se para áreas onde as espécies mais palatáveis foram removidas pelos grazers (Wilkinson e Sammarco, 1983).

Uma fracção importante da fixação total de azoto bentónico à escala global pode provir de ambientes de recifes de coral pouco profundos (Capone, 1983). No entanto, enquanto as taxas de fixação de azoto pelágico têm sido constantemente refinadas por levantamentos do filamento de cianobactéria Trichodesmium (Capone et al., 2005), novas abordagens geoquímicas (Mahaffey, 2005), e o reconhecimento emergente de outros contribuidores importantes, tais como fixadores de azoto unicelulares (Montoya et al., 2004), a fixação de azoto em ambientes de recifes de coral continua a ser subamostragem e provavelmente subestimada. Fixação de nitrogénio por cianobactérias bentónicas ou simbióticas (Charpy et al., 2007; Lesser et al., 2007; Bauer et al., 2008; Davey et al.., 2008), bem como as bactérias heterotróficas, incluindo as epífitas em superfícies de macroalgas e corais (Davey et al., 2008), ainda não foram totalmente elucidadas (Koop et al., 2001; O’Neil e Capone, 1989, 1996; Hewson et al., 2007; Werner et al., 2008). A comunidade diazotrófica pode, de facto, estar a mudar em consequência da eutrofização costeira. A fixação de azoto pode diminuir devido à carga de azoto, ou aumentar em resposta a factores limitantes como o fósforo ou micronutrientes como o Fe, diminuições nas relações de carga N:P, ou como resultado de cargas orgânicas e estimulação da fixação heterotrófica de N2 directamente através do fornecimento de substratos orgânicos ou indirectamente através do aumento das zonas anóxicas locais.

Doença da banda negra (BBD), que é causada por um consórcio de cianobactérias e micróbios pode ser diazotrófica (Frias-Lopez et al.., 2002, 2003). Esta hipótese foi recentemente sugerida por um estudo molecular de comunidades bacterianas associadas à BBD que produziu uma sequência de 16sRNA 97% homóloga com a cianobactéria pelágica fixadora de azoto Trichodesmium tenue. Isto levou os autores a especular que a fixação de azoto poderia ser realizada nas microzonas esgotadas em oxigénio do conjunto BBD (Frias-Lopez et al., 2002). É necessário mais trabalho para testar esta hipótese de uma forma rigorosa como o trabalho subsequente sobre Phormidium corallyticum isolado (anteriormente Oscillatoria corallinae) de corais da Florida com BBD testado negativo para fixação de nitrogénio (redução de acetileno) (Richardson e Kuta, 2003).

Simbiose diazotrófica de invertebrados foram relatados a partir de sistemas de recife, incluindo esponjas de recife que adquirem azoto fixo através de cianobactérias associadas (Wilkinson e Fay, 1979). Cianobactérias e bactérias simbióticas são encontradas em quase todas as esponjas marinhas (Mohamed et al., 2006; Thacker, 2005) e podem formar associações mutualistas com hospedeiros, especialmente se o simbionte fornecer C ou N fixos. A Cyanobacterium Oscillatoria spongieliae foi encontrada em várias espécies de esponjas, incluindo a esponja de recife Dysidea herbacea na Grande Barreira de Coral (GBR) (Flowers et al., 1998; Ridley et al., 2005). Synechococcus também foi descrito a partir de várias espécies de esponjas, geneticamente distintas das espécies planctónicas vivas livres de Synechococcus (Thacker, 2005). Em alguns casos, os produtos metabólicos (por exemplo, carbono fixo) são translocados de simbionte para hospedeiro (Arillo et al., 1993). Contudo, na maioria dos casos, a relação entre hospedeiro e simbionte não está bem definida (Ridley et al., 2005).

Translocação potencial de N de fixadores de azoto para hospedeiros também tem sido investigada. A actividade da nitrogenase foi alegadamente associada a uma associação intacta de Procholoron-Ascidian (Lissoclinum sp.) (Paerl, 1984), embora a actividade não pudesse ser directamente detectada pelo simbionte isolado (Odintsov, 1991). Foi subsequentemente determinado que pelo menos uma porção do N celular deriva (directa ou indirectamente) da fixação N2, com base na baixa razão isotópica de 15N/14N nas associações Lissoclinum sp. (Kline e Lewin, 1999). Foram também encontrados diazotrofos associados a corais (Frias-Lopez et al., 2002; Rohwer et al., 2001, 2002; Shashar et al., 1994a,b) com fixação de azoto medida em alguns corais vivos (Shashar et al., 1994a,b; Williams et al., 1987). Mais recentemente, a presença de uma cianobactéria coccóide diazotrófica também foi relatada nos tecidos de certas espécies do coral Montastrea (Lesser et al., 2004). Curiosamente, foi ainda demonstrado através de δ N análises que as zooxanthellae das colónias das Caraíbas de Montastraea cavernosa que contêm as cianobactérias endosibióticas adquirem N das cianobactérias fixadoras de azoto em vez do hospedeiro do coral (Lesser et al., 2007).