Le succès généralisé des thaumarchées marines provient en grande partie de leur capacité à convertir des traces d'ammoniac en nitrite, ce qui leur donne de l'énergie pour fixer le carbone et produire une nouvelle biomasse en l'absence de lumière. Ce processus, appelé nitrification, recycle l'énergie chimique dérivée à l'origine de la photosynthèse par les algues marines et est une composante essentielle du cycle global des nutriments. En utilisant une approche par radiotraceur, une équipe de chercheurs du Centre de biologie de l'Académie tchèque des sciences (Budweis, Tchéquie), MARUM—Centre des sciences de l'environnement marin de l'Université de Brême (Allemagne), et Institut Max Planck de microbiologie marine (Brême, Allemagne) a maintenant déterminé que les archées fixent environ 3 moles de carbone pour 10 moles d'ammoniac oxydé, et cette efficacité varie avec les adaptations cellulaires à la limitation du phosphore.

"Les Thaumarchaea sont actifs dans tout l'océan, et leur grand nombre implique des contributions significatives aux cycles mondiaux du carbone (C) et de l'azote (N), " dit Travis Meador, qui est l'auteur principal de l'étude. « La quantité de carbone fixée par les nitrifiants est régulée par la quantité d'azote organique (énergie) créée lors de la photosynthèse, le couplage physiologique de la nitrification et de l'assimilation du carbone, et aussi apparemment leur capacité d'accès au phosphore (P)."

L'équipe estime que ces chimioautotrophes recyclent environ 5 % du carbone et du phosphore assimilés par les algues marines et libèrent des terragrammes (10 ¹² g) de matières organiques dissoutes à l'intérieur de l'océan chaque année. Ces résultats sont maintenant publiés dans la revue Avancées scientifiques .

Qu'ils mangent de l'ammoniaque

L'ammoniac dans l'océan provient de la décomposition de la matière organique produite par les phototrophes dans les eaux de surface et est une source précieuse d'énergie et de nutrition pour les eucaryas, bactéries, et les archées. Des études de culture du thaumarchaeon Nitrosopumilus maritimus ont précédemment révélé que les cellules minuscules (Ø =0,17-0,22 m) possèdent des systèmes enzymatiques avec une forte affinité pour l'ammoniac et la voie de fixation du C la plus économe en énergie en présence d'oxygène. "Ces adaptations font de thaumarchaea le premier recycleur d'énergie des océans, leur permettant de surpasser leurs homologues bactériens et de créer une niche distincte, en particulier dans l'océan profond où l'énergie est limitante, " a déclaré Meador. "Nos collègues ont suggéré que la plupart des N organiques qui sont exportés sous la zone euphotique de l'océan finissent par alimenter la nitrification par les thaumarchées. Alors que le flux mondial des exportations est étudié depuis plusieurs décennies, il n'y a eu aucune preuve empirique pour coupler davantage l'oxydation de l'ammoniac des archées aux taux globaux de fixation du C, jusqu'à maintenant."

Le besoin de P

En plus de leurs contributions importantes aux flux chimiques dans les produits chimiques de l'océan sombre, thaumarchaea sont en fait plus abondants dans la zone euphotique, où la majorité de la matière organique est respirée (en CO 2 et ammoniac). En réalité, les plus fortes accumulations d'ammoniac peuvent se situer à la base de la zone euphotique, où les bactéries hétérotrophes se nourrissent de la biomasse en train de couler produite à chaud, surface de la couche mixte et au-dessous, où la température de l'eau diminue rapidement avec la profondeur.

Cette zone, connue sous le nom de thermocline, connaît également de grandes fluctuations dans la concentration et le temps de renouvellement d'un autre nutriment clé, phosphate (P). Les chercheurs se sont ainsi demandé si l'accès des thaumarchés au phosphate pouvait contrôler leurs contributions à la production recyclée dans l'océan de surface.

Interroger les archées avec la radioactivité

En introduisant des radiomarqués ¹⁴ C et ³³ P au milieu de culture, les auteurs ont pu suivre les taux de C et de P assimilés dans les cellules de N. maritimus et libérés sous forme de métabolites de carbone organique et de phosphore dissous (COD et DOP) dans les milieux de culture. Normaliser ces taux à la nitrification, les chercheurs ont généré les premières estimations de C, P, DOC, et les rendements DOP pour un archéon marin.

Le résultat de ce travail est que les taux mondiaux de fixation de C par les thaumarchées largement distribués sont probablement au moins trois fois plus élevés que ce que l'on supposait auparavant. Aussi, L'assimilation de C et P par les archées marines peut maintenant être modélisée comme directement proportionnelle au rapport de reminéralisation renommé établi par Alfred Redfield au milieu du 20e siècle. Les chercheurs ont en outre découvert que N. maritimus est apte à acquérir du phosphate, mais les augmentations stratégiques de l'affinité du phosphate cellulaire ont entraîné une réduction d'environ 30 % de l'efficacité de fixation du C. Ces résultats peuvent donc expliquer les valeurs très variées du taux de nitrification spécifique observées à travers l'océan de surface. Finalement, Meador dit, "La libération de composés fabriqués par chimiosynthèse par les thaumarchées est mineure par rapport au réservoir substantiel de nutriments organiques dissous dans l'océan, mais cela représente un nouveau flux de substrats labiles dans tout l'intérieur de l'océan."