Les microbes qui fournissent un engrais naturel aux océans en « fixant » l'azote de l'atmosphère sous une forme utilisable par d'autres organismes étaient autrefois considérés comme limités aux eaux tropicales et subtropicales chaudes. Maintenant, cependant, des chercheurs ont documenté la fixation de l'azote par un type inhabituel de cyanobactéries dans les eaux froides des mers de Béring et des Tchouktches.

"Cela va à l'encontre de toutes les hypothèses des manuels sur l'endroit où se produit la fixation de l'azote. Tous les modèles mathématiques pour l'apport d'azote dans les océans sont limités par la température en raison de cette hypothèse sous-jacente, " a déclaré Jonathan Zehr, professeur de sciences océaniques à l'UC Santa Cruz et auteur principal d'un article sur les nouvelles découvertes publié lundi, 10 décembre dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

Katie Harding, un étudiant diplômé du laboratoire de Zehr et premier auteur de l'article, expliqué que dans de nombreuses parties des océans, la productivité est limitée par la disponibilité de l'azote. « La fixation de l'azote alimente la chaîne alimentaire dans certaines régions, il est donc important de comprendre quelles sont toutes les sources, " elle a dit.

La fixation de l'azote par Harding découverte dans l'Arctique est réalisée par un organisme appelé UCYN-A, qui a été découvert pour la première fois par le groupe de Zehr en pleine mer près d'Hawaï. Après avoir trouvé des preuves ADN d'un microbe fixateur d'azote jusqu'alors inconnu, Le laboratoire de Zehr l'a finalement identifié comme un type de cyanobactérie manquant étrangement de la capacité de photosynthèse. Finalement, en 2012, ils ont découvert qu'il vit en étroite symbiose avec un type de petit, algues unicellulaires. Dans ce partenariat mutuellement bénéfique, UCYN-A fournit de l'azote fixe tandis que l'algue haptophyte fournit du carbone fixe par photosynthèse.

Pendant ce temps, Zehr et d'autres chercheurs ont trouvé le UCYN-A nouvellement découvert dans des zones de plus en plus étendues de l'océan, d'abord dans les eaux côtières, puis dans les eaux aussi loin au nord que le détroit danois. UCYN-A ne peut pas être cultivé en laboratoire, mais il peut être identifié et isolé à partir d'échantillons d'eau en utilisant des techniques sophistiquées de tri cellulaire et de séquençage des gènes.

La nouvelle étude montre non seulement qu'il peut exister dans l'Arctique, mais qu'il est fonctionnel et qu'il fixe l'azote dans les eaux arctiques avec des températures inférieures à 4 degrés Celsius (40 degrés Farhrenheit). "Ce ne sont pas seulement des cellules qui dérivent dans l'Arctique sur les courants océaniques. C'est actif, et c'est le seul véritable fixateur d'azote cyanobactérien dans l'Arctique, ", a déclaré Zehr.

Les cyanobactéries (autrefois appelées à tort algues bleu-vert) sont des bactéries capables de photosynthèse comme les plantes, bien que UCYN-A semble avoir perdu cette capacité. Seules certaines cyanobactéries sont capables de fixer l'azote, dont Trichodesmium, qui était autrefois considérée comme la principale source de fixation de l'azote en haute mer. Trichodesmium, cependant, ne pousse pas dans des eaux plus froides que 20 degrés Celsius (68 degrés Fahrenheit).

"Il est difficile de mesurer les taux de fixation de l'azote dans les échantillons d'eau et de dire quel organisme en fait combien, mais je soupçonne que si vous deviez additionner la fixation globale de l'azote par UCYN-A, c'est une source substantielle et peut-être la plus grande source d'azote dans l'océan, ", a déclaré Zehr.

Bien qu'il n'ait pas encore été trouvé dans l'océan Austral autour de l'Antarctique, Zehr a dit que c'est probablement le prochain endroit où il le cherchera. Lorsque ses collaborateurs du Virginia Institute of Marine Science ont proposé pour la première fois d'explorer l'Arctique, il hésitait. "Je ne m'attendais pas du tout à trouver beaucoup de fixation d'azote, sans parler des cyanobactéries fixatrices d'azote. Cela va juste pour montrer, tu ne sais pas jusqu'à ce que tu regardes, " il a dit.

"L'une des questions intéressantes d'un point de vue biologique est de savoir comment UCYN-A peut tolérer une si large gamme de températures, surtout lorsque la plage de température du Trichodesmium est si étroite, ", a déclaré Harding.

Lors d'une croisière de recherche au départ de Nome, Alaska, en septembre 2016, Harding et d'autres membres de l'équipe ont collecté et traité des échantillons d'eau pour analyse en laboratoire. Le traitement à bord du navire comprenait l'incubation des échantillons avec de l'azote-15 afin que tout azote nouvellement fixé soit marqué avec l'isotope lourd. Cela a permis aux chercheurs de mesurer les taux de fixation de l'azote et de montrer qu'UCYN-A fixait activement l'azote. De retour au labo, ils ont utilisé un marquage fluorescent pour identifier UCYN-A et une technique de spectrométrie de masse avancée pour détecter l'azote-15 dans les cellules d'UCYN-A et de son symbiote algal.

Les taux de fixation d'azote qu'ils ont mesurés dans la mer des Tchouktches étaient relativement faibles, mais les taux dans la mer de Béring (à 10 degrés Celsius) étaient similaires à ceux mesurés dans des eaux beaucoup plus chaudes. La fixation d'azote par UCYN-A représente l'intégralité de la fixation d'azote mesurée en mer de Béring, mais ne représentaient qu'une fraction du total dans la mer des Tchouktches.

"Les taux dans l'Arctique sont assez bas, donc UCYN-A n'est peut-être pas très important là-bas maintenant. Mais si le réchauffement de l'Arctique se poursuit, il deviendra de plus en plus important comme source d'azote dans les écosystèmes arctiques, ", a déclaré Zehr.