Abstract Molecular hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) are supersaturated in seawater relative to the atmosphere and hence are readily accessible energy sources for marine microbial communities. Yet while marine CO oxidation is well-described, it is unknown whether seawater communities consume H 2 . Here we integrated genome-resolved metagenomics, biogeochemistry, thermodynamic modelling, and culture-based analysis to profile H 2 and CO oxidation by marine bacteria. Based on analysis of 14 surface water samples, collected from three locations spanning tropical to subantarctic fronts, three uptake hydrogenase classes are prevalent in seawater and encoded by major marine families such as Rhodobacteraceae, Flavobacteriaceae, and Sphingomonadaceae. However, they are less abundant and widespread than carbon monoxide dehydrogenases. Consistently, microbial communities in surface waters slowly consumed H 2 and rapidly consumed CO at environmentally relevant concentrations, with H 2 oxidation most active in subantarctic waters. The cell-specific power from these processes exceed bacterial maintenance requirements and, for H 2 , can likely sustain growth of bacteria with low energy requirements. Concordantly, we show that the polar ultramicrobacterium Sphingopyxis alaskensis grows mixotrophically on H 2 by expressing a group 2a [NiFe]-hydrogenase, providing the first demonstration of atmospheric H 2 oxidation by a marine bacterium. Based on TARA Oceans metagenomes, genes for trace gas oxidation are globally distributed and are fourfold more abundant in deep compared to surface waters, highlighting that trace gases are important energy sources especially in energy-limited waters. Altogether, these findings show H 2 is a significant energy source for marine communities and suggest that trace gases influence the ecology and biogeochemistry of oceans globally.

Abstract Background Multiple bacteria, viruses, protists, and helminths cause enteric infections that greatly impact human health and wellbeing. These enteropathogens are transmitted via several pathways through human, animal, and environmental reservoirs. Individual quantitative PCR (qPCR) assays have been extensively used to detect enteropathogens within these types of samples, whereas the TaqMan Array Card (TAC) that allows simultaneous detection of multiple enteropathogens has only previously been validated in human clinical samples. Methods Here, we performed a comprehensive double-blinded comparison of the performance of a custom TAC relative to standard qPCR for the detection of eight enteric targets, by using spiked samples, wastewater from Melbourne (Australia), and human, animal, and environmental samples from informal settlements in Suva, Fiji. Findings Both methods exhibited high and comparable specificity (TAC: 100%, qPCR: 94%), sensitivity (TAC: 92%; qPCR: 100%), and quantitation accuracy (TAC: 91%; qPCR: 99%) in non-inhibited sample matrices. PCR inhibitors substantially impacted detection via TAC, though this issue was alleviated by 10-fold sample dilution. Among samples from informal settlements, the two techniques were comparable for detection (89% agreement) and quantitation (R 2 = 0.82). The TAC additionally included 38 other targets, enabling detection of diverse faecal pathogens and extensive environmental contamination that would be prohibitively labour intensive to assay by standard qPCR. Interpretation Overall, the two techniques produce comparable results across diverse sample types, with qPCR prioritising greater sensitivity and quantitation accuracy, and TAC trading small reductions in these for a cost-effective larger enteropathogen panel that enables a greater number of enteric pathogens to be analysed concurrently, which is beneficial given the abundance and variety of enteric pathogens in environments such as urban informal settlements. The ability to monitor multiple enteric pathogens across diverse reservoirs in turn allows better resolution of pathogen exposure pathways, and the design and monitoring of interventions to reduce pathogen load. Funding Wellcome Trust Our Planet, Our Health program [OPOH grant 205222/Z/16/Z].

Most aerated cave ecosystems are assumed to be oligotrophic given they receive minimal inputs of light energy. Diverse microorganisms have nevertheless been detected within caves, though it remains unclear what strategies enable them to meet their energy and carbon needs. Here we determined the processes and mediators of primary production in aerated limestone and basalt caves through paired metagenomic and biogeochemical profiling. Based on 1458 metagenome-assembled genomes, over half of microbial cells in caves encode enzymes to use atmospheric trace gases as energy and carbon sources. The most abundant microbes in these systems are chemosynthetic primary producers, notably the novel gammaproteobacterial methanotrophic order Ca. Methylocavales and two uncultivated actinobacterial genera predicted to grow on atmospheric hydrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide. In situ and ex situ biogeochemical and isotopic measurements consistently confirmed that these gases are rapidly consumed at rates sufficient to meet community-wide energy needs and drive continual primary production. Conventional chemolithoautotrophs, which use trace lithic compounds such as ammonium and sulfide, are also enriched and active alongside these trace gas scavengers. These results indicate that caves are unique in both their microbial composition and the biogeochemical processes that sustain them. Based on these findings, we propose caves are the first known ecosystems where atmospheric trace gases primarily sustain growth rather than survival and define this process as "aerotrophy". Cave aerotrophy may be a hidden process supporting global biogeochemistry.

Bacteria within aerated environments often exist within a variety of dormant forms. In these states, bacteria endure adverse environmental conditions such as organic carbon starvation by decreasing metabolic expenditure and using alternative energy sources. In this study, we investigated the energy sources that facilitate the persistence of the environmentally widespread but understudied bacterial phylum Chloroflexi. A transcriptome study revealed that Thermomicrobium roseum (class Chloroflexia) extensively remodels its respiratory chain upon entry into stationary phase due to organic carbon limitation. Whereas primary dehydrogenases associated with heterotrophic respiration were downregulated, putative operons encoding enzymes involved in molecular hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), and sulfur compound oxidation were significantly upregulated. Gas chromatography and microsensor experiments were used to show that T. roseum aerobically respires H2 and CO at a range of environmentally relevant concentrations to sub-atmospheric levels. Phylogenetic analysis suggests that the enzymes mediating atmospheric H2 and CO oxidation, namely group 1h [NiFe]-hydrogenases and type I carbon monoxide dehydrogenases, are widely distributed in Chloroflexi genomes and have been acquired on at least two occasions through separate horizontal gene transfer events. Consistently, we confirmed that the sporulating isolate Thermogemmatispora sp. T81 (class Ktedonobacteria) also oxidises atmospheric H2 and CO during persistence. This study provides the first axenic culture evidence that atmospheric CO supports bacterial persistence and reports the third phylum to be experimentally shown to mediate the biogeochemically and ecologically important process of atmospheric H2 oxidation. This adds to the growing body of evidence that atmospheric trace gases serve as dependable energy sources for the survival of dormant microorganisms.

Wetland tree stems have recently been shown to be a major source of methane emissions. However, the microbial communities associated within these stems (the caulosphere) and their contribution to biogeochemical cycling of methane and other compounds remain poorly understood. Here, we reveal that specialised microbial communities inhabit the bark of multiple Australian tree species and actively mediate the cycling of methane, hydrogen, and other climate-active trace gases. Based on genome-resolved metagenomics, most bark-associated bacteria are hydrogen metabolisers and facultative fermenters, adapted to dynamic redox and substrate conditions. Over three quarters of assembled genomes encoded genes for hydrogen metabolism, including novel lineages of Acidobacteriota, Verrucomicrobiota, and the candidate phylum JAJYCY01. Methanotrophs such as Methylomonas were abundant in certain trees and coexisted with hydrogenotrophic methanogenic Methanobacterium. Bark-associated microorganisms mediated aerobic oxidation of hydrogen, carbon monoxide, and methane at concentrations seen in planta, but under anoxic conditions barks could become a significant source of these gases. Field-based experiments and upscaling analysis suggested that bark communities are quantitatively significant mediators of global biogeochemical cycling, mitigating climatically-active gas emissions from stems and contributing to the net terrestrial sink of atmospheric hydrogen. These findings highlight the caulosphere as an important new research frontier for understanding microbial gas cycling and biogeochemistry.