La urea, fuente de nitrógeno y energía para los microorganismos del océano profundo

Cuando pensamos en la vida en el océano, lo primero que nos viene a la mente es el océano superficial, donde existe una enorme diversidad de organismos, desde cetáceos y peces hasta el plancton microscópico. Sin embargo, bajo la superficie, en la oscuridad del océano profundo, encontramos un ecosistema completamente diferente, dominado en gran medida por microorganismos como bacterias y arqueas. Estos diminutos organismos son esenciales para mantener el equilibrio químico del océano. Una de las grandes preguntas en microbiología marina es cómo estos microbios logran sobrevivir en un ambiente tan extremo, donde no llega la luz del sol y los nutrientes son escasos. Nuestra investigación se centra en una fuente de nutrientes muy poco estudiada en el océano profundo: la urea, un compuesto rico en nitrógeno que los organismos pueden utilizar para su crecimiento y, en algunos casos, para la generación de energía. La urea suele asociarse con las aguas superficiales, donde sus principales fuentes son los aportes fluviales y la excreción por parte del zooplancton y los peces. No obstante, su presencia y relevancia ecológica para la microbiota del océano profundo sigue siendo desconocida.

En nuestro estudio, exploramos el papel de la urea como fuente de nitrógeno y energía química para los microorganismos del océano profundo. Para ello recogimos muestras en océano Pacífico nor-occidental entre 50 y 4.000 metros de profundidad, y combinamos análisis metagenómicos (que permiten detectar la distribución de diferentes genes relacionados con la utilización de urea), mediciones de tasas de nitrificación (cuantificando la oxidación del amonio, incluido el amonio derivado de la urea, en nitrito para la generación de energía) y espectrometría de masas de iones secundarios en células individuales (lo que permitió medir la incorporación de isótopos de ¹⁵N derivados de la urea y el amonio a nivel celular).

Nuestros hallazgos muestran que el 60% de las células microbianas activas en el océano profundo asimilan nitrógeno a partir de la urea, incorporando nitrógeno en tasas superiores al nitrógeno proveniente del amonio, a pesar de que este último es una molécula altamente asimilada en las aguas superficiales. Además, detectamos tasas de nitrificación tanto en las incubaciones de amonio como las de urea en todas las profundidades, lo que demuestra su papel como fuente de energía incluso en hábitats oceánicos tan profundos como los 4000 metros. A pesar de que el origen de la concentración relativamente alta de urea en el océano profundo genera cierto debate (siendo la migración vertical diaria de los peces la principal fuente de urea propuesta), nuestros resultados demuestran que la urea actúa como una fuente de nitrógeno importante, hasta ahora subestimada, en las profundidades marinas. En algunos casos, la urea puede utilizarse para la producción de energía a través de la nitrificación, desempeñando un papel crucial en el mantenimiento de la vida en el océano profundo, donde las fuentes de energía química son extremadamente limitadas.

Finalmente, analizando el contenido genómico de los microorganismos del océano profundo a partir de muestras de ADN provenientes de distintas zonas del océano global, descubrimos que el gen ureC (que codifica la enzima responsable de la oxidación de la urea a amonio) está ampliamente distribuido entre las comunidades microbianas de aguas profundas a nivel global. En nuestra zona de estudio, el 39% de las células contenían este gen, mientras que los datos genómicos globales indican que hasta el 46% de las células del océano profundo contienen el gen. Estos resultados resaltan la importancia global de la urea en el mantenimiento de la actividad microbiana en los ecosistemas de aguas profundas.

En conjunto, nuestro estudio ofrece una nueva perspectiva sobre el ciclo de la urea en el océano profundo, revelando su amplio uso y su papel clave en el ciclo del nitrógeno. Nuestros hallazgos ayudan a desentrañar el metabolismo microbiano en el océano afótico, subrayando la importancia de las comunidades microbianas de las aguas profundas en la modulación de los ciclos biogeoquímicos globales.

Lee el estudio completo aquí: 

Arandia-Gorostidi, N., Jaffe, A. L., Parada, A. E., Kapili, B. J., Casciotti, K. L., Salcedo, R. S. R., Baumas, C. M. J., & Dekas, A. E. (2024). Urea assimilation and oxidation support activity of phylogenetically diverse microbial communities of the dark ocean. The ISME Journal. https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae230

Texto escrito por Néstor Arandia-Gorostidi y editado por Clara Ruiz y Félix Picazo