Phylogenetic and taxonomical characterization of microbial populations putatively capable of autotrophic ammonia oxidation from marine, saline and hypersaline environments at the Cabo Rojo Salterns, Puerto Rico

Abstract

Autotrophic ammonia oxidation has been studied over the years and several enzymes involved in this metabolism have been identified. This metabolism has been detected in several environments, but there are no reports of it in hypersaline environments. To address this lack of information, microbial isolates from the Cabo Rojo Salterns in Puerto Rico, were screened for ammonia oxidation and autotrophic capabilities in genomic and metagenomic DNA samples. Three sampling sites having different salinity levels, Bahía Sucia Beach (BSB), Fraternidad Lagoon (FL) and Crystallizers Ponds (CP) were analyzed. A total of 113 strains were isolated and phylogenetically classified using the 16S rRNA. In general, isolated strains were related to the genera Haloarcula, Halorbrum and Chromohalobacter. Three strains isolated from CP were identified as potential novel species by 16S rRNA analysis and for it, they were biochemically and phylogenetically characterized. These strains were carriers of the accC gene (related to autotrophic metabolism) and also had the ability of autotrophic growth. Autotrophically grown bacterial isolates related to the genus Chromohalobacter, amplified the bacterial ammonia oxidation gene (amoA). This genus have never been reported neither as autotrophic nor as an ammonia oxidizer. In the metagenomic analysis, amoA was detected only in BSB samples. This suggests that high salt concentrations might be diminishing the populations of ammonia oxidizing microorganisms. Nonetheless, accC was identified in metagenomic and genomic DNA samples from CP and FL. This study presents the first report of autotrophic related genes in members of the Euryarchaeota kingdom and in metagenomic DNA from solar salterns. Also, these findings demonstrate that autotrophic metabolism might be more common in saline and hypersaline environments than previously thought.

En los últimos años se ha estudiado la oxidación autotrófica de amonio y varias enzimas implicadas en este tipo de metabolismo han sido identificadas. Este metabolismo ha sido detectado en diversos ambientes, pero no hay reportes de él en ambientes hipersalinos. Para atajar esta falta de información, aislados microbianos obtenidos de las Salinas de Cabo Rojo en Puerto Rico, fueron analizados para detectar genes relacionados a la oxidación de amonio y metabolismo autotrófico en muestras de ADN genómico y metagenómico. Se analizaron tres lugares de muestreo que contienen diferentes niveles de salinidad: Playa Bahía Sucia (PBS), Laguna Fraternidad (LF) y Charcas de Cristalización (CC). Se aislaron un total de 113 cepas y estas fueron clasificadas filogenéticamente utilizando el gen 16S rRNA. En general, las cepas aisladas estaban mayormente relacionadas a los géneros Haloarcula, Halorbrum y Chromohalobacter. Mediante el análisis de 16S rRNA, tres cepas aisladas de CC fueron identificadas como posibles nuevas especies y por ello, se caracterizaron bioquímica y filogenéticamente. Estas cepas portan el gen accC (relacionado a metabolismo autotrófico) y también tienen la capacidad de crecer en medio de cultivo autotrófico. Cepas crecidas autotróficamente relacionadas al género Chromohalobacter, amplificaron el gen bacteriano de oxidación de amonio (amoA). Miembros de este género nunca han sido reportados ni como autótrofos, ni como oxidadores de amonio. En el análisis de ADN metagenómico, genes de amoA sólo fueron detectados en muestras de PBS. Esto sugiere que las altas concentraciones de sal podrían estar disminuyendo las poblaciones de microorganismos oxidadores de amonio. No obstante, el gen accC fue identificado en muestras de ADN genómico y metagenómico de LF y CC. Este estudio presenta el primer reporte de genes relacionados a metabolismo autótrofo en los miembros del reino Euryarchaeota y en muestras de ADN metagenómico proveniente de salinas solares. Además, estos hallazgos demuestran que el metabolismo autótrofo podría ser más común en ambientes salinos e hipersalinos de lo que se pensaba.