Abstract Chemosynthetic symbioses are partnerships between invertebrate animals and chemosynthetic bacteria. The latter are the primary producers, providing most of the organic carbon needed for the animal host's nutrition. We sequenced genomes of the chemosynthetic symbionts from the lucinid bivalve Loripes lucinalis and the stilbonematid nematode Laxus oneistus . The symbionts of both host species encoded nitrogen fixation genes. This is remarkable as no marine chemosynthetic symbiont was previously known to be capable of nitrogen fixation. We detected nitrogenase expression by the symbionts of lucinid clams at the transcriptomic and proteomic level. Mean stable nitrogen isotope values of Loripes lucinalis were within the range expected for fixed atmospheric nitrogen, further suggesting active nitrogen fixation by the symbionts. The ability to fix nitrogen may be widespread among chemosynthetic symbioses in oligotrophic habitats, where nitrogen availability often limits primary productivity.

Nitrospira are a diverse group of nitrite-oxidizing bacteria and among the environmentally most widespread nitrifiers. However, they remain scarcely studied and mostly uncultured. Based on genomic and experimental data from Nitrospira moscoviensis representing the ubiquitous Nitrospira lineage II, we identified ecophysiological traits that contribute to the ecological success of Nitrospira. Unexpectedly, N. moscoviensis possesses genes coding for a urease and cleaves urea to ammonia and CO2. Ureolysis was not observed yet in nitrite oxidizers and enables N. moscoviensis to supply ammonia oxidizers lacking urease with ammonia from urea, which is fully nitrified by this consortium through reciprocal feeding. The presence of highly similar urease genes in Nitrospira lenta from activated sludge, in metagenomes from soils and freshwater habitats, and of other ureases in marine nitrite oxidizers, suggests a wide distribution of this extended interaction between ammonia and nitrite oxidizers, which enables nitrite-oxidizing bacteria to indirectly use urea as a source of energy. A soluble formate dehydrogenase lends additional ecophysiological flexibility and allows N. moscoviensis to use formate, with or without concomitant nitrite oxidation, using oxygen, nitrate, or both compounds as terminal electron acceptors. Compared with Nitrospira defluvii from lineage I, N. moscoviensis shares the Nitrospira core metabolism but shows substantial genomic dissimilarity including genes for adaptations to elevated oxygen concentrations. Reciprocal feeding and metabolic versatility, including the participation in different nitrogen cycling processes, likely are key factors for the niche partitioning, the ubiquity, and the high diversity of Nitrospira in natural and engineered ecosystems.

Nitrification, the oxidation of ammonia via nitrite to nitrate, has always been considered to be catalyzed by the concerted activity of ammonia- and nitrite-oxidizing microorganisms. Only recently, complete ammonia oxidizers (‘comammox’), which oxidize ammonia to nitrate on their own, were identified in the bacterial genus Nitrospira, previously assumed to contain only canonical nitrite oxidizers. Nitrospira are widespread in nature, but for assessments of the distribution and functional importance of comammox Nitrospira in ecosystems, cultivation-independent tools to distinguish comammox from strictly nitrite-oxidizing Nitrospira are required. Here we developed new PCR primer sets that specifically target the amoA genes coding for subunit A of the distinct ammonia monooxygenase of comammox Nitrospira. While existing primers capture only a fraction of the known comammox amoA diversity, the new primer sets cover as much as 95% of the comammox amoA clade A and 92% of the clade B sequences in a reference database containing 326 comammox amoA genes with sequence information at the primer binding sites. Application of the primers to 13 samples from engineered systems (a groundwater well, drinking water treatment and wastewater treatment plants) and other habitats (rice paddy and forest soils, rice rhizosphere, brackish lake sediment and freshwater biofilm) detected comammox Nitrospira in all samples and revealed a considerable diversity of comammox in most habitats. Excellent primer specificity for comammox amoA was achieved by avoiding the use of highly degenerate primer preparations and by using equimolar mixtures of oligonucleotides that match existing comammox amoA genes. Quantitative PCR with these equimolar primer mixtures was highly sensitive and specific, and enabled the efficient quantification of clade A and clade B comammox amoA gene copy numbers in environmental samples. The measured relative abundances of comammox Nitrospira, compared to canonical ammonia oxidizers, were highly variable across environments. The new comammox amoA-targeted primers enable more encompassing future studies of nitrifying microorganisms in diverse habitats. For example, they may be used to monitor the population dynamics of uncultured comammox organisms under changing environmental conditions and in response to altered treatments in engineered and agricultural ecosystems.

Microorganisms are critical in mediating carbon (C) and nitrogen (N) cycling processes in soils. Yet, it has long been debated whether the processes underlying biogeochemical cycles are affected by the composition and diversity of the soil microbial community or not. The composition and diversity of soil microbial communities can be influenced by various environmental factors, which in turn are known to impact biogeochemical processes. The objectives of this study were to test effects of multiple edaphic drivers individually and represented as the multivariate soil environment interacting with microbial community composition and diversity, and concomitantly on multiple soil functions (i.e. soil enzyme activities, soil C and N processes). We employed high-throughput sequencing (Illumina MiSeq) to analyze bacterial/archaeal and fungal community composition by targeting the 16S rRNA gene and the ITS1 region of soils collected from three land uses (cropland, grassland and forest) deriving from two bedrock forms (silicate and limestone). Based on this data set we explored single and combined effects of edaphic variables on soil microbial community structure and diversity, as well as on soil enzyme activities and several soil C and N processes. We found that both bacterial/archaeal and fungal communities were shaped by the same edaphic factors, with most single edaphic variables and the combined soil environment representation exerting stronger effects on bacterial/archaeal communities than on fungal communities, as demonstrated by (partial) Mantel tests. We also found similar edaphic controls on the bacterial/archaeal/fungal richness and diversity. Soil C processes were only directly affected by the soil environment but not affected by microbial community composition. In contrast, soil N processes were significantly related to bacterial/archaeal community composition and bacterial/archaeal/fungal richness/diversity but not directly affected by the soil environment. This indicates direct control of the soil environment on soil C processes and indirect control of the soil environment on soil N processes by structuring the microbial communities. The study further highlights the importance of edaphic drivers and microbial communities (i.e. composition and diversity) on important soil C and N processes.

Soil microorganisms control carbon losses from soils to the atmosphere1-3, yet their responses to climate warming are often short-lived and unpredictable4-7. Two mechanisms, microbial acclimation and substrate depletion, have been proposed to explain temporary warming effects on soil microbial activity8-10. However, empirical support for either mechanism is unconvincing. Here we used geothermal temperature gradients (> 50 years of field warming)11 and a short-term experiment to show that microbial activity (gross rates of growth, turnover, respiration and carbon uptake) is intrinsically temperature sensitive and does not acclimate to warming (+ 6 ºC) over weeks or decades. Permanently accelerated microbial activity caused carbon loss from soil. However, soil carbon loss was temporary because substrate depletion reduced microbial biomass and constrained the influence of microbes over the ecosystem. A microbial biogeochemical model12-14 showed that these observations are reproducible through a modest, but permanent, acceleration in microbial physiology. These findings reveal a mechanism by which intrinsic microbial temperature sensitivity and substrate depletion together dictate warming effects on soil carbon loss via their control over microbial biomass. We thus provide a framework for interpreting the links between temperature, microbial activity and soil carbon loss on timescales relevant to Earth's climate system.

Members of the phylum Acidobacteria are abundant and ubiquitous across soils. We performed a large-scale comparative genome analysis spanning subdivisions 1, 3, 4, 6, 8 and 23 (n = 24) with the goal to identify features to help explain their prevalence in soils and understand their ecophysiology. Our analysis revealed that bacteriophage integration events along with transposable and mobile elements influenced the structure and plasticity of these genomes. Low- and high-affinity respiratory oxygen reductases were detected in multiple genomes, suggesting the capacity for growing across different oxygen gradients. Among many genomes, the capacity to use a diverse collection of carbohydrates, as well as inorganic and organic nitrogen sources (such as via extracellular peptidases), was detected - both advantageous traits in environments with fluctuating nutrient environments. We also identified multiple soil acidobacteria with the potential to scavenge atmospheric concentrations of H2 , now encompassing mesophilic soil strains within the subdivision 1 and 3, in addition to a previously identified thermophilic strain in subdivision 4. This large-scale acidobacteria genome analysis reveal traits that provide genomic, physiological and metabolic versatility, presumably allowing flexibility and versatility in the challenging and fluctuating soil environment.

Many intestinal pathogens, including Clostridioides difficile, use mucus-derived sugars as crucial nutrients in the gut. Commensals that compete with pathogens for such nutrients are therefore ecological gatekeepers in healthy guts, and are attractive candidates for therapeutic interventions. Nevertheless, there is a poor understanding of which commensals use mucin-derived sugars in situ as well as their potential to impede pathogen colonization. Here, we identify mouse gut commensals that utilize mucus-derived monosaccharides within complex communities using single-cell stable isotope probing, Raman-activated cell sorting and mini-metagenomics. Sequencing of cell-sorted fractions reveals members of the underexplored family Muribaculaceae as major mucin monosaccharide foragers, followed by members of Lachnospiraceae, Rikenellaceae, and Bacteroidaceae families. Using this information, we assembled a five-member consortium of sialic acid and N-acetylglucosamine utilizers that impedes C. difficile's access to these mucosal sugars and impairs pathogen colonization in antibiotic-treated mice. Our findings underscore the value of targeted approaches to identify organisms utilizing key nutrients and to rationally design effective probiotic mixtures.

The global atmospheric level of methane (CH 4 ), the second most important greenhouse gas, is currently increasing by ∼10 million tons per year. Microbial oxidation in unsaturated soils is the only known biological process that removes CH 4 from the atmosphere, but so far, bacteria that can grow on atmospheric CH 4 have eluded all cultivation efforts. In this study, we have isolated a pure culture of a bacterium, strain MG08 that grows on air at atmospheric concentrations of CH 4 [1.86 parts per million volume (p.p.m.v.)]. This organism, named Methylocapsa gorgona , is globally distributed in soils and closely related to uncultured members of the upland soil cluster α. CH 4 oxidation experiments and 13 C-single cell isotope analyses demonstrated that it oxidizes atmospheric CH 4 aerobically and assimilates carbon from both CH 4 and CO 2 . Its estimated specific affinity for CH 4 (a 0 s ) is the highest for any cultivated methanotroph. However, growth on ambient air was also confirmed for Methylocapsa acidiphila and Methylocapsa aurea , close relatives with a lower specific affinity for CH 4 , suggesting that the ability to utilize atmospheric CH 4 for growth is more widespread than previously believed. The closed genome of M. gorgona MG08 encodes a single particulate methane monooxygenase, the serine cycle for assimilation of carbon from CH 4 and CO 2 , and CO 2 fixation via the recently postulated reductive glycine pathway. It also fixes dinitrogen and expresses the genes for a high-affinity hydrogenase and carbon monoxide dehydrogenase, suggesting that atmospheric CH 4 oxidizers harvest additional energy from oxidation of the atmospheric trace gases carbon monoxide (0.2 p.p.m.v.) and hydrogen (0.5 p.p.m.v.).