Faculté des sciences

Discovery of anammox bacteria in terrestrial ecosystems

Humbert, Sylvia ; Aragno, Michel (Dir.) ; Zopfi, Jakob (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2011 ; 2193.

Until this study, the anammox (anaerobic ammonium oxidation) process has been only studied in waste water treatment plants and aquatic environments, including sediments. However, nothing is known so far about the distribution, diversity, abundance and activity of anammox bacteria in terrestrial ecosystems. In this study, we provided molecular evidence for the presence of anammox bacteria in... More

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    Résumé
    Avant cette étude, le processus anammox (oxydation anaérobie de l’ammonium) était uniquement étudié dans les usines de traitement des eaux usées et dans les milieux aquatiques, sédiments inclus. Cependant, rien n'était connu encore sur la distribution, la diversité, l'abondance et l'activité des bactéries anammox dans les écosystèmes terrestres. Dans cette étude, nous apportons l’évidence, par approche moléculaire, de la présence de bactéries anammox dans les sols de zones humides, les sédiments des marais, le profil de sol d’un Reductisol, des sols de rives de lacs, un sol sur Permafrost et un aquifère poreux. L'analyse phylogénétique des séquences du gène ARNr 16S a démontrée que les bactéries anammox présentes dans les écosystèmes terrestres sont affiliées à Candidatus ‘Brocadia’, ‘Kuenenia’, ‘Scalindua’, ‘Jettenia’ and ‘Anammoxoglobus’ ainsi qu’à deux groupes non identifiés. Ces candidats anammox étaient largement distribués dans les différents environnements terrestres indiquant une plus grande diversité que dans les colonnes d’eau des milieux marins. Les bactéries anammox n'étaient pas présentes dans tous les milieux et fractions de sol échantillonnés, l’analyse démontrant leur distribution hétérogène et leurs besoins écologiques spécifiques comme la présence d’interfaces oxique / anoxique à long terme et de composés azotés inorganiques. Nous avons quantifié les bactéries anammox dans ces différents environnements en développant une nouvelle approche qPCR spécifique anammox, et leur abondance variait de 104 à 106 copies / g de sol. Finalement, le Réductisol a été sélectionné pour réaliser une analyse détaillée de l’activité anammox le long du profil de sol par des expériences d'incubation à l’isotope 15N. Pour chaque date d'échantillonnage, une production de 29N2 était observée à toutes les profondeurs du Réductisol, démontrant la présence de bactéries anammox actives. La contribution d‘anammox à la production totale de N2 était inférieure à 14%. Cette étude fournit la première preuve que les bactéries anammox sont présentes, diverses et actives dans les écosystèmes terrestres.
    Summary
    Until this study, the anammox (anaerobic ammonium oxidation) process has been only studied in waste water treatment plants and aquatic environments, including sediments. However, nothing is known so far about the distribution, diversity, abundance and activity of anammox bacteria in terrestrial ecosystems. In this study, we provided molecular evidence for the presence of anammox bacteria in wetlands, sediments of marshes, a Reductisol profile, lake shores, a permafrost soil and a porous aquifer. Phylogenetic analysis of the 16S rRNA gene sequences showed that anammox bacteria from terrestrial ecosystems are affiliated to Candidatus ‘Brocadia’, ‘Kuenenia’, ‘Scalindua’, ‘Jettenia’ and ‘Anammoxoglobus’, as well as two unidentified clusters. They were widely distributed in the different terrestrial environments indicating a higher diversity than in marine water column environments. Anammox bacteria were not present in every sampled environments and soil fractions demonstrating their heterogeneous distribution and their specific ecological requirements as the presence of long term oxic/anoxic interfaces and inorganic nitrogen compounds. We quantified Anammox bacteria using a new developed qPCR approach applied to the different soil environments and their abundance ranged from 104 to 106 copies/g of soil. Finally, the Reductisol has been selected for a detailed analysis of their activity along the soil profile by 15N-isotope incubation experiments. For each sampling date, production of 29N2 was observed at all depths in the soil profile demonstrating the presence of active anammox bacteria. The amount of N2 produced by anammox is less than 14% of the total N2 production. This study provides the first evidence that anammox bacteria are present, diverse and active in terrestrial ecosystems.