Response of nitrogen fixers associated with Posidonia oceanica to environmental factors and emerging pollutants

Abstract

[eng] N2-fixers bacteria or diazotrophs reduce atmospheric nitrogen (N2) into ammonia (NH3) and play a significant role in the ocean's N-cycles by providing new inorganic nitrogen to planktonic and benthic primary producers. The epiphytic and endophytic N2-fixing population found in association with the endemic Mediterranean seagrass Posidonia oceanica can potentially provide the entire N-demand to this seagrass. The Mediterranean Sea is one of the most oligotrophic seas in the world and at the same time subject to global climate change factors (e.g., ocean acidification and warming) and emerging pollutants (e.g., plastic pollution). Considering the importance of N2-fixers in the health and functioning of seagrasses, nothing is known about the effects of current environmental challenges in these microorganisms. From a physiological and molecular point of view, this thesis investigates the role of nutrient availability, climate change factors (i.e., temperature, pH and CO2) and emerging pollutants (i.e., plastics) through pioneering multifactorial experiments. Different species of N2-fixing phototrophic and heterotrophic bacteria found in association with P. oceanica were used as model test species. The thesis is divided into two main sections, revealing the role of (I) nutrient availability [phosphorus (P), iron (Fe) and nitrogen (N)] and (II) anthropogenic factors (CO2 and its concomitant effect on ocean acidification and warming, and microplastics and their organic additives) in regulating the functioning of N2-fixers associated with P. oceanica. The results show that the responses of the N2-fixing bacteria to environmental factors and emerging pollutants tested are species-specific, suggesting that the N2-fixing community structure associated with Posidonia oceanica will change in response to these factors.

[spa] Las bacterias fijadoras de N2 o diazótrofos reducen el nitrógeno atmosférico (N2) en amoníaco (NH3) y desempeñan un papel esencial en los ciclos del N del océano, al proporcionar nuevo nitrógeno inorgánico a los productores primarios planctónicos y bentónicos. La población fijadora de N2 epífita y endofítica que se encuentra en asociación a Posidonia oceanica, planta endémica del Mar Mediterráneo, puede potencialmente proporcionar de toda la demanda de N a esta fanerógama marina. El mar Mediterráneo es uno de los mares más oligotróficos del mundo y, al mismo tiempo, está sujeto a factores del cambio climático (p. ej., acidificación y calentamiento de los océanos) y contaminantes emergentes (p. ej., plásticos). Por tanto, los fijadores de N2 deben hacer frente a la oligotrofia y los factores antropogénicos. Considerando la importancia de estas poblaciones microbianas en la salud de la planta, no se sabe nada sobre los efectos de los actuales desafíos ambientales en estas poblaciones microbianas. Desde un punto de vista fisiológico y molecular, esta tesis investiga el papel de la disponibilidad de nutrientes, los factores del cambio climático (temperatura, pH y CO2) y los contaminantes emergentes (polución por plásticos), a través de pioneros experimentos multifactoriales. Durante esta tesis, se utilizaron como especies modelo diferentes bacterias fototróficas y heterótrofas fijadoras de N2 asociadas a P. oceanica. La tesis se divide en dos secciones principales, revelando el papel de (I) la disponibilidad de nutrientes [fósforo (P), hierro (Fe) y nitrógeno (N)] y (II) de los factores antropogénicos (CO2 y su efecto concomitante en la acidificación del océano y calentamiento, y microplásticos y sus aditivos orgánicos asociados) en la regulación del funcionamiento de fijadores de N2 asociados a P. oceanica. Los resultados muestran que las respuestas de las bacterias fijadoras de N2 a los factores ambientales y los contaminantes emergentes analizados son específicas de la especie, lo que sugiere que la estructura de la comunidad fijadora de N2 asociada a P. oceanica cambiará en respuesta a estos factores.

[cat] Els bacteris fixadors de N2 o diazòtrofs redueixen el nitrogen atmosfèric (N2) en amoníac (NH3) i tenen un paper important en els cicles del N en l'oceà, al proporcionar nou nitrogen inorgànic als productors primaris planctònics i bentònics. La població fixadora de N2 epífita i endofítica que es troba en associació amb Posidonia oceanica, planta endèmica del Mar Mediterrani, pot potencialment proporcionar tota la demanda de N a aquesta planta. El mar Mediterrani és un dels mars més oligotròfics del món i, a el mateix temps, està subjecte a factors de canvi climàtic (p. ex., acidificació i escalfament dels oceans) i contaminants emergents (p. ex., plàstics). Per tant, els fixadors de N2 han de fer front a la oligotròfia i els factors antropogènics. Atesa la importància d'aquestes poblacions microbianes en la salut de la planta, no se sap res sobre els efectes dels actuals desafiaments ambientals. Des d'un punt de vista fisiològic i molecular, aquesta tesi investiga el paper de la disponibilitat de nutrients, els factors del canvi climàtic (temperatura, pH i CO2) i els contaminants emergents (pol·lució plàstica) a través de pioners experiments multifactorials. Durant aquesta tesis, es van utilitzar com a espècies model diferents bacteris fototròfics i heteròtrofs fixadores de N2 associades amb P. oceanica. La tesi es divideix en dues seccions principals, revelant el paper de (I) la disponibilitat de nutrients [fòsfor (P), ferro (Fe) i nitrogen (N)] i (II) del factors antropogènics (CO2 i el seu efecte concomitant a la acidificació de l'oceà i escalfament, microplàstics i els seus additius orgànics associats) en la regulació del funcionament de fixadors de N2 associats amb P. oceanica. Els resultats mostren que les respostes dels bacteris fixadors de N2 als factors ambientals i els contaminants emergents analitzats són específiques de l'espècie, el que suggereix que l'estructura de la comunitat fixadora de N2 associada a P. oceanica canviarà en resposta a aquests factors.