Single-débit haute résolution analytique des Techniques complémentaires pour caractériser les mélanges complexes de matière organique naturelle

Dans le monde, zones humides contiennent environ 529 Pg de carbone (C), principalement en tant que C organique enfouie dans les gisements de tourbe¹. Actuellement, ces tourbières agissent comme un puits net de C, séquestrant 29 Tg C y^-1 en Amérique du Nord seulement¹. Cependant, les perturbations environnementales telles que la vidange, les incendies, la sécheresse et des températures plus chaudes peuvent compenser ce puits de carbone en augmentant la décomposition des matières organiques résultant en une augmentation C pertes par effet de serre (dioxyde de carbone [CO₂] et la production de méthane [CH₄])^1,2. Le changement climatique peut contribuer à une perte C si les températures plus chaudes ou conditions de sécheuse stimulent plus rapide C décomposition par les microorganismes. Alternativement, des températures plus élevées et les concentrations atmosphériques de CO₂ peuvent stimuler la production primaire pour piéger le plus de CO₂ sous forme de carbone organique (OC). Dans quelle mesure et à quelle vitesse cette OC est ensuite décomposé en CO₂ et CH₄ dépend d’interactions complexes entre les substrats de donneur d’électrons, la disponibilité des accepteurs d’électrons et les microorganismes qui médient le transformation. Dans de nombreux cas, les mécanismes ne sont pas bien caractérisés, ainsi leur réponse aux perturbations de l’environnementales n’est pas bien et on ne sait toujours pas quel sera le résultat net du changement climatique sur le bilan du carbone dans les écosystèmes de tourbières.

La nature complexe de la matière organique naturelle (mon) a fait de même identifier les composés organiques présents dans les mélanges NOM historiquement difficiles. Les progrès récents ont grandement amélioré notre capacité à caractériser les composés qui traditionnellement et, dans une certaine mesure, continuer à être, considéré comme récalcitrants humiques ou fulviques composés^3,4,5. Nous comprenons maintenant que bon nombre de ces composés sont effectivement microbienne disponibles et peuvent être décomposées si un accepteur d’électron terminal approprié (thé) est rendu disponible^6,7. Calcul de l’état d’oxydation nominale du carbone (CNOP) pour un composé fournit une métrique pour prédire le potentiel de décomposition et le rendement énergétique du thé requis. Cependant, elle nécessite une qualification de niveau moléculaire de la matière organique⁷. CNOP est calculée de la formule moléculaire par l’équation suivante⁷: NOSC = − ((−z + 4(#C) + (#H) − 3(#N) − 2(#O) + 5(#P) − 2(#S)) / (#C)) + 4, où z est la charge nette. CNOP est corrélée avec la thermodynamique conduite force⁸, dans lequel composés avec NOSC supérieur sont plus faciles à se dégrader, tandis que les composés avec NOSC inférieur nécessitent des thés de plus en plus énergiques afin de réduire. Composés avec NOSC moins de −2 nécessitent une énergie élevée produisant des thés tels que O₂, nitrate ou Mn^IVet ne peut être dégradés par fréquents s’abaissent en énergie, ce qui donne des thés comme Fe^III ou sulfate⁷. Il s’agit d’une considération importante dans les conditions anoxiques gorgés d’eau, milieux humides où O₂ et autre énergie élevée produisant des thés sont rares⁹ et donc la dégradation des composés NOSC inférieur dans ces conditions sont thermodynamiquement limitée. Les perturbations environnementales peuvent influencer l’état thermodynamique de l’écosystème à travers les changements hydrologiques qui influencent O₂ (le plus énergique accepteur d’électron), changements de substrats organiques et les accepteurs d’électrons mis à disposition par primaire production et dans une moindre mesure de la température. Un exemple important des effets de la température dans les systèmes de zones humides se produit en ce qui concerne le compromis qui se produit entre homoacetogenesis (p. ex., production d’acétate de CO₂ et H₂) et (méthanogénèse) hydrogenotrophic par exemple, production₄ CH de CO₂ et H₂). À basse température, il semble que homoacetogenesis est légèrement favorisé, alors que les températures plus chaudes favorisent CH₄ production¹⁰. Cet effet de la température peut avoir des implications importantes pour la réponse des écosystèmes au changement climatique, comme CH₄ est un gaz à effet de serre beaucoup plus fort que le CO₂¹¹ et donc augmentation de la production de CH₄ au détriment de CO₂ à des températures plus chaudes peuvent contribuer à une rétroaction positive avec le réchauffement climatique.

Tourbières produisent des quantités importantes de CO₂ et CH₄⁶via la respiration microbienne d’origine naturelle organique d’importance. Le CNOP des substrats organiques de carbone détermine la proportion relative du CO₂: CH₄ produit qui est un paramètre essentiel à cause du forçage radiatif supérieur de CH₄ par rapport au CO₂¹¹, mais aussi parce que les efforts de modélisation ont identifié ce ratio comme un paramètre essentiel pour l’estimation des flux de C dans les tourbières,¹². En l’absence d’accepteurs d’électrons terminal autres que le CO₂, il peut être démontré par prépondérance des électrons que des substrats organiques C avec la volonté de > 0 NOSC produisent CO₂: CH₄ > 1, C organique avec NOSC = 0 produit CO₂ et CH₄ dans rapport équimolaire et C organique avec NOSC < 1 produira CO₂: CH₄ < 1¹³. Décomposition du crime organisé dans les écosystèmes naturels est médiée par des micro-organismes, afin que même quand la dégradation d’un composé particulier est thermodynamiquement possible, elle est cinétiquement limité par l’activité d’enzymes microbiennes et, dans des conditions anoxiques, par la force motrice thermodynamique (c’est-à-direCNOP)⁷. Jusqu’à présent, il a été difficile pour caractériser complètement la matière organique, car la diversité des composés présents nécessite différentes techniques complémentaires pour leur caractérisation. Les progrès récents ont comblé l’écart ; à l’aide d’un ensemble de techniques d’analyse, nous pouvons analyser une large gamme de composés organiques, fournissant la caractérisation moléculaire et, dans certains quantification de cas, de petits métabolites primaires comme glucose jusqu’à 800 Da poly-hétérocycles. Auparavant ces grosses molécules complexes seraient ont été caractérisées simplement comme comme la lignine ou tanin-like et supposé avoir été récalcitrant. Caractérisation moléculaire-niveau, cependant, permet de calculer NOSC pour ces grosses molécules complexes. Ces valeurs NOSC sont corrélées linéairement avec la force motrice thermodynamique permettant d’évaluer la qualité de la matière organique disponible par décomposition, ce qui, dans de nombreux cas, révèle que ces molécules complexes peuvent effectivement être microbienne dégradable même dans des conditions anoxiques qui prévalent dans les milieux humides.

Depuis l’introduction de O₂ permet de presque toutes les valeurs NOSC naturellement observées à décomposer la matière organique, dans les présentes, nous nous concentrons sur les changements dans la matière organique et de la protéomique microbienne qui risquent d’être les principaux facteurs en milieu humide (c’est-à-dire, systèmes de limitée O₂). Cependant, toutes les techniques que nous allons discuter peuvent être appliquées à la matière organique d’un écosystème. Communément, en vrac mesures basées sur optique et analyses de fluorescence ont été utilisés pour évaluer la qualité de la matière organique^3,14. Lors de l’utilisation de mesures en vrac tels que ceux-ci, cependant, les détails fins sont perdus comme un grand nombre de molécules est classé ensemble sous des termes génériques comme dérivés humiques ou fulvics. Les définitions de ces catégories ne sont pas bien contraintes et, en fait, peuvent varier d’une étude à faire des comparaisons impossibles. En outre, mesures en vrac ne fournissent les détails moléculaires nécessaires pour le calcul de la thermodynamique qui régissent le système et ne répondent donc vraiment évaluer les matières organiques qualité¹⁵.

Techniques individuelles telles que Fourier transforment ion cyclotron resonance spectrométrie de masse (FTICR-MS), la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), chromatographie en phase gazeuse (GC-MS) de la spectrométrie de masse, et faire de la spectrométrie de masse par chromatographie liquide (LC-MS) fournir ces détails au niveau moléculaire. Alors que chacune de ces techniques présente ses propres limites, ils apportent aussi leurs propres points forts qui peuvent être exploitées dans une approche intégrée pour atteindre la finesse des détails moléculaires nécessaires pour quantifier la qualité de la matière organique dans un sens rigoureux de thermodynamique . GC-MS est utile pour identifier des métabolites petites critiques qui sont susceptibles d’exercer une influence proximale sur le CO₂ et de production de₄ CH (p. ex., glucose, acétate, etc.) ; Cependant, GC-MS requiert la vérification contre une norme et est donc limité à des composés déjà connus présents dans la base de données, empêchant l’identification de nouveaux composés. En outre, GC-MS est une technique semi qualitative permettant d’inférence sur les changements dans les concentrations relatives, mais ne pas fournir les informations de concentration réelle nécessaires pour le calcul des énergies libres de Gibbs par exemple. Enfin, GC-MS nécessite la dérivatisation de molécules avant l’analyse, ce qui limite la résolution de composés plus petits que ~ 400 Da et alcools volatiles sont perdus pendant l’étape de séchage.

Unidimensionnelle (1D) ¹H état liquide NMR permet une caractérisation très quantitative des petits métabolites (y compris les métabolites primaires de faible poids moléculaire et substances volatiles comme l’acétate, acétone, formiate, pyruvate, alcools, succinate, paraffines chlorées des acides gras, comme un éventail de glucides notoirement absents ou compromis de méthodes axées sur le MS) et leurs concentrations sont particulièrement utiles pour le calcul des paramètres thermodynamiques. Pourtant, comme le GC-MS, 1D NMR de mélanges complexes nécessite la normalisation par rapport à une base de données et donc ne permet pas seul faciliter l’identification de nouveaux composés qui sont susceptibles d’être abondante dans des écosystèmes complexes naturels et changeantes. En outre, la RMN est moins sensible que les techniques basées sur MS et donc, profilage métabolite quantitative est réalisé seulement au-dessus de 1 µM à l’aide de systèmes NMR équipés de sondes froid refroidi à l’hélium. Pas très apprécié, certains NMR froid-sondes sont tolérantes au sel et permettent une analyse environnementale de mélange en présence de concentrations millimolaires de sels lorsqu’il est utilisé dans le plus petit diamètre (< 3 mm de diamètre extérieur) échantillon tubes¹⁶. Cependant, une autre complication de la RMN est celui des quantités élevées de minéraux et des métaux paramagnétiques (p. ex., Fe et Mn au-dessus % de poids de 1-3), qui peut être abondant dans les sols secs, peut élargir les caractéristiques spectrales et compliquer l’interprétation des spectres RMN . À l’aide d’extraction en phase solide (SPE) peut aide dans l’interprétation de la RMN et de métabolomique basées sur les méthodes de réduction des sels minéraux et en augmentant la qualité spectrale.

FTICR-MS par injection directe est une technique très sensible permettant de détecter des dizaines de milliers de métabolites provenant d’un échantillon unique, mais elle ne capture pas les métabolites petites critiques tels que l’acétate, le pyruvate et succinate et est notoirement difficile à utiliser des sucres et autres glucides¹⁷, ni fournit des informations quantitatives. Cependant, contrairement aux autres techniques, FTICR-MS excelle en identifiant et en assignant la formule moléculaire de nouveaux composés et identifie par conséquent le plus grand nombre de composés en fournissant des informations moléculaires plus que n’importe lequel des autres techniques décrites. Ceci est utile, car l’information moléculaire fournie par FTICR-MS (et d’autres techniques) peut être utilisée pour calculer NOSC qui est liée à la force motrice thermodynamique régissant la probabilité de certaines réactions⁸ et leurs tarifs dans certaines conditions⁷. En outre, en couplant FTICR-MS avec des techniques de séparation, comme LC avec tandem MS, informations structurelles quantitatives peuvent être atteint, compenserait une partie des inconvénients de cette technique. LC-MS est utile pour identifier des composés de type lipidique et d’autres métabolites qui ne sont pas bien caractérisés par une des autres méthodes. Couplage LC FTICR-MS ou LC-MS avec un collecteur de fraction et recueillant des fractions d’inconnues spécifiques d’intérêt pour l’élucidation de la structure de l’état liquide de deux dimensions (2D) NMR est la situation idéale pour identifier et quantifier les composés inconnus^{18 ,},¹⁹. Il s’agit cependant d’une très longue étape qui pourrait être utilisée si nécessaire. Pris individuellement, chacune de ces techniques présentent un portrait différent de la matière organique, et en les intégrant, nous pouvons parvenir à une compréhension plus complète que l’utilisation des techniques d’isolément.

Alors que les considérations thermodynamiques définir les contraintes ultimes sur quelles transformations sont possibles dans un système, décomposition des matières organiques est médiée par des microorganismes dont les activités enzymatiques contrôlent les vitesses de réaction. Bien comprendre les contrôles sur la décomposition des matières organiques et, finalement, la production de gaz (CO₂ et CH₄) à effet de serre des milieux humides exige donc une approche intégrée omiques pour caractériser les activités des enzymes microbiennes ainsi que les métabolites. Dans cet article, nous décrivons une méthode pour parvenir à une telle analyse complète d’un seul échantillon en utilisant une approche séquentielle qui se traduit par une analyse complètement appariée. Cette approche se développe sur le métabolite, protéines et lipides extraction (MPLex) protocole dans lequel protéomique a été couplé avec le GC-MS et LC-MS²⁰ pour identifier les petits métabolites, les protéines et les lipides en incorporant les informations quantitatives métabolite par l’intermédiaire RMN et identification des grandes métabolites secondaires via FTICR-Mme légèrement différentes à MPLex, nous commençons le protocole avec un captage d’eau, puis utiliser l’extraction séquentielle avec plus en plus des solvants non-polaires. Toutes les extractions sont effectuées sur un échantillon unique qui conserve l’échantillon lorsque les volumes sont limités ou difficiles à obtenir et diminue les erreurs expérimentales introduites par la variation entre les aliquotes de matrices de prélèvement hétérogènes (par exemple, le sol et tourbe) ou différences dans les conditions d’entreposage et de la durée.

Enfin, en couplant les analyses de l’OM avec les analyses protéomique de la communauté microbienne, nous pouvons bâtir des réseaux métaboliques qui décrivent les voies et la transformation de la décomposition des matières organiques. Cela nous permet de tester des hypothèses spécifiques au sujet de comment les perturbations au système influenceront ultime CO₂ et production₄ CH au travers les substrats organiques disponibles, accepteurs d’électrons et les communautés microbiennes médiation des réactions via l’activité de catalyseurs enzymatiques.

L’objectif général de cette méthode consiste à fournir un protocole de débit unique pour l’analyse des métabolites, des lipides et des protéines microbiennes auprès d’un échantillon unique, créant ainsi un ensemble de données totalement apparié pour la construction de réseaux métaboliques tout en limitant les erreurs analytiques .