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Le zone umide costiere sono ecosistemi vitali che contribuiscono alla regolazione del clima, alla conservazione della biodiversità e alla gestione delle acque attraverso processi come il sequestro del carbonio, l'evapotraspirazione e le emissioni di metano (CH4)1. Questi ecosistemi, comprese le zone umide di acqua dolce e salata2, sono altamente produttivi e fungono da zone critiche per l'assorbimento di anidride carbonica (CO2) e catturano la materia organica dagli ambienti terrestri e marini 3,4. Le interazioni dinamiche all'interno di queste zone umide stimolano la produzione e il consumo microbico di CH4 5, posizionandole come una delle maggiori fonti naturali di CH46. Essendo il secondo gas serra più importante, il CH4 ha un potenziale di riscaldamento globale circa 27-30 volte superiore a quello del CO2 4,7,8,9, rendendo lo studio delle emissioni di CH 4 dalle zone umide costiere essenziale nell'era del cambiamento climatico. L'emissione di CH4 è influenzata da vari fattori ambientali, in particolare dalla salinità, che svolge un ruolo cruciale nei processi microbici10. Le zone umide d'acqua dolce contribuiscono in modo significativo al metano atmosferico a causa dei loro livelli di solfato più bassi, che facilita una maggiore produzione microbica di CH4, mentre le zone umide d'acqua salata tendono generalmente a emettere meno CH4 a causa di concentrazioni di solfato più elevate 11,12,13.
Le emissioni di CH4 dalle zone umide costiere sono generalmente controllate da due gruppi di microrganismi, noti come metanogeni e metanotrofi14. I metanogeni producono CH4 nei sedimenti anossici scomponendo substrati come formiato, acetato, idrogeno o composti metilati attraverso un processo noto come metanogenesi15. L'enzima importante in questa via è la metil-coenzima M reduttasi (MCR), in quanto catalizza la fase finale e limitante della metanogenesi 15,16,17. Il gene mcrA, che codifica per la subunità alfa di MCR, è un marcatore funzionale che può essere trovato in tutti gli archei metanogenici18. Inoltre, nelle zone umide costiere, la zona di transizione solfato-metano (SMTZ) si forma al di sopra della zona metanogenica, dove il metano che si diffonde verso l'alto e il solfato che si muove verso il basso convergono e si esauriscono19. All'interno di questa zona, gli archei metanotrofi anaerobici (ANME) ossidano il metano in anidride carbonica utilizzando l'enzima MCR, mentre i batteri solfato-riduttori (SRB) riducono il solfato in solfuro. Gli SRB superano i metanogeni per l'idrogeno e l'acetato, limitando la produzione di metano fino all'esaurimento del solfato16,17.
Al contrario, i batteri metanotrofici aerobici ossidano CH4 in ambienti aerobici20, utilizzando diverse forme di metano monoossigenasi (MMO). Questi includono il particolato metano monoossigenasi (pMMO), un enzima contenente rame incorporato nella membrana intracitoplasmatica, e la metano monoossigenasi solubile (sMMO), un enzima contenente ferro presente nel citoplasma. Tuttavia, per pMMO, ci sono tre operoni genici pmoCAB21; tra questi, il gene pmoA è il più conservativo per tutti i metanotrofi. Esistono due diversi geni biomarcatori per pmoA: pmoA1 e pmoA222. Inoltre, per una comprensione completa dei metanotrofi, il gene mmoX viene utilizzato come strumento in biologia molecolare per identificare i metanotrofi23 contenenti sMMO. Questa distinzione nelle vie metaboliche e nei requisiti ambientali dei metanogeni e dei metanotrofi aerobici evidenzia le complesse interazioni microbiche che regolano il ciclo del metano negli ecosistemi delle zone umide costiere.
La zona umida di Boca Chica (BC), un ambiente produttivo di acqua salata nel sud del Texas, subisce influenze di marea dal Golfo del Messico (GOM), portando a livelli di salinità superficiale variabili, soprattutto a causa della sua vicinanza alla Laguna Madre24 ipersalina. Questa azione di marea, alternata tra alte e basse maree, provoca fluttuazioni dei livelli di ossigeno25 che potrebbero alterare l'attività del metanogeno e del metanotrofio nei sedimenti26. Al contrario, le zone umide costiere d'acqua dolce sono considerate un hotspot significativo per i flussi CH4 27. Le zone umide costiere d'acqua dolce nel sud del Texas, tra cui Resaca Del Rancho Viejo (RV) e Lozano Banco (LB), distanti dagli effetti delle maree del GOM, hanno una gestione idrologica distinta. RV sperimenta flussi di impulsi integrati dall'acqua del fiume durante i bassi livelli dell'acqua, mentre LB funziona come un sistema di flusso offline senza tale integrazione. Inoltre, RV e LB mantengono livelli di salinità più bassi a causa di un elevato scarico di acqua dolce pompata artificialmente e del fatto di essere un lago oxbow. I diversi fattori ambientali possono influenzare in modo significativo il ciclo del metano nelle zone umide costiere del Texas meridionale. Tuttavia, il ciclo del metano nelle zone umide costiere del Texas meridionale rimane un'area che deve ancora essere indagata a fondo.
La reazione a catena della polimerasi (PCR) e la PCR in tempo reale (chiamata anche PCR quantitativa [qPCR]) rappresentano tecniche fondamentali e ampiamente utilizzate per rilevare e quantificare l'abbondanza relativa di geni specifici in campioni ambientali. Queste tecniche amplificano specificamente regioni mirate del DNA per indicare la presenza e la quantità relativa di geni correlati al ciclo CH4, fornendo indicatori del potenziale ciclo del metano. Tuttavia, la disponibilità e l'efficacia dei set di primer per PCR potrebbero essere limitate da vari fattori inibitori nel DNA ambientale estratto, essendo influenzati dai tipi di ambienti28,29. Pertanto, questo studio ha stabilito principalmente un metodo PCR ottimale per rilevare la presenza di geni correlati al ciclo CH4 nelle zone umide costiere del Texas meridionale (Figura 1) e quindi ha visualizzato la loro abbondanza relativa quantificata in questi ecosistemi. I risultati di questo studio possono essere applicati ad altre regioni costiere per migliorare la comprensione del ciclo CH4 e delle dinamiche microbiche in diversi ecosistemi costieri.