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Aug 21, 2023

Effetti dell'acidificazione sulla nitrificazione e relativa emissione di protossido di azoto negli estuari e nelle acque costiere

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1380 (2023) Cita questo articolo 5487 Accessi a 25 dettagli delle metriche alternative Nel contesto di un crescente livello di anidride carbonica atmosferica (CO2),

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Nel contesto di un crescente livello di anidride carbonica (CO2) atmosferica, l’acidificazione degli estuari e delle acque costiere è notevolmente esacerbata dagli input di nutrienti provenienti dalla terra, dal sollevamento delle coste e da complessi processi biogeochimici. Una comprensione più approfondita di come i nitrificanti rispondono all’intensificazione dell’acidificazione è quindi cruciale per prevedere la risposta degli ecosistemi degli estuari e delle coste e il loro contributo al cambiamento climatico globale. Qui, mostriamo che l’acidificazione può ridurre significativamente il tasso di nitrificazione ma stimolare la generazione del sottoprodotto protossido di azoto (N2O) negli estuari e nelle acque costiere. Variando la concentrazione di CO2 e il pH in modo indipendente, si esclude un effetto benefico atteso di livelli elevati di CO2 sull'attività dei nitrificanti (effetto “fertilizzazione con CO2”) in caso di acidificazione. I dati del metatrascrittoma dimostrano inoltre che i nitrificanti potrebbero aumentare significativamente le espressioni genetiche associate all'omeostasi del pH intracellulare per far fronte allo stress da acidificazione. Questo studio evidenzia le basi molecolari degli effetti dell’acidificazione sulla nitrificazione e sulle emissioni di gas serra N2O associate e aiuta a prevedere la risposta e l’evoluzione degli ecosistemi costieri e degli estuari ai cambiamenti climatici e alle attività umane.

L’anidride carbonica (CO2) nell’atmosfera è in aumento a causa delle intense attività umane come la combustione di combustibili fossili, la produzione di cemento, la deforestazione e altri cambiamenti nell’uso del territorio1. A livello globale, la concentrazione atmosferica media di CO2 ha ormai raggiunto 413,2 ppm e si prevede che supererà le 800 ppm entro la fine del 21° secolo2,3. Circa il 40% della CO2 emessa durante l’era industriale è stata assorbita dagli oceani4, provocando di conseguenza una riduzione di circa 0,1 unità di pH nell’acqua marina superficiale5,6. Si stima un ulteriore calo di 0,2–0,3 unità di pH alla fine di questo secolo, con gravi conseguenze attese per gli organismi e gli ecosistemi sensibili6,7,8.

Gli ecosistemi estuari e costieri sono regioni dinamiche soggette all’interazione di fiumi, terra e oceani9, che possono fornire servizi ecosistemici vitali per il benessere umano10. Nel contesto di un crescente livello di CO2 atmosferico, le acque degli estuari e delle coste, tuttavia, soffrono di un'acidificazione più acuta rispetto agli oceani aperti, sotto gli effetti sinergici degli input di nutrienti provenienti dalla terra, del risveglio costiero e di complessi processi biogeochimici (Figura 1 supplementare) 11,12. Una delle maggiori minacce agli ecosistemi degli estuari e delle coste in tutto il mondo è l’eccessivo apporto di nutrienti di origine antropica nei bacini idrografici10. La produzione di fitoplancton indotta dall’eutrofizzazione può provocare un elevato tasso di respirazione nelle acque di fondo dove si deposita la materia derivata dalle alghe, che può causare una forte produzione di CO213. L'acidificazione negli estuari e nelle acque costiere può quindi essere notevolmente intensificata dall'intrusione episodica di acqua di risalita ad alto contenuto di CO211,13,14, che può influenzare negativamente i processi biologici e il funzionamento degli ecosistemi di estuario e costieri15,16,17,18,19,20,21 .

La nitrificazione è un processo fondamentale per l'equilibrio dei pool di azoto ridotto e ossidato, che collega la mineralizzazione alle vie di rimozione dell'azoto di denitrificazione e ossidazione anaerobica dell'ammonio22. Svolge quindi un ruolo cruciale nel ciclo globale dell’azoto, soprattutto negli ecosistemi acquatici eutrofici. A causa della crescita lenta dei nitrificanti e della loro elevata sensibilità alle perturbazioni ambientali23, si prevede che la nitrificazione sarà disturbata dall’acidificazione acquatica. Una complicazione nella risposta dei nitrificanti all’acidificazione è che l’aumento della pressione parziale di CO2 (pCO2) e la diminuzione del pH possono avere effetti opposti. Si prevede che condizioni di pCO2 più elevate favoriscano la nitrificazione, poiché una maggiore fonte di carbonio può promuovere la crescita di nitrificanti chemioautotrofi (fertilizzazione con CO2)24,25,26,27. Al contrario, la concomitante diminuzione del pH può spostare l’equilibrio tra ammoniaca (NH3) e ammonio (NH4+) verso una concentrazione inferiore di substrato NH3 disponibile per gli ossidanti dell’ammoniaca e quindi inibire la nitrificazione25,28,29. La risposta dei nitrificanti dipende quindi fortemente dall’equilibrio di questi potenziali effetti positivi e negativi. Tuttavia, si sa poco riguardo agli effetti dei livelli previsti di acidificazione acquatica sul metabolismo dei nitrificanti e sui meccanismi sottostanti.