Il Ballo Nascosto Sott’Acqua: Come i Cianobatteri Cambiano le Regole del Gioco tra Sedimenti e Acqua

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, quasi un’indagine scientifica, nel cuore pulsante dei nostri laghi, specialmente quando diventano un po’… troppo verdi. Parliamo di quelle famigerate fioriture di cianobatteri, quelle patine verdastre che a volte ricoprono le acque e che, diciamocelo, non sono proprio un bel vedere né un toccasana per l’ecosistema. Ma cosa succede davvero *sotto* la superficie, in quella zona misteriosa dove l’acqua incontra il fondo, l’interfaccia sedimento-acqua (SWI)? È lì che si gioca una partita cruciale, e io sono qui per raccontarvi cosa abbiamo scoperto.

Capire le danze chimiche e biologiche che avvengono durante queste fioriture è fondamentale, non solo per la curiosità scientifica, ma soprattutto per gestire al meglio le nostre preziose risorse idriche. Immaginate i cianobatteri come dei protagonisti un po’ invadenti sulla scena acquatica: crescono a dismisura, fanno festa (la fioritura), e poi, inevitabilmente, arriva il declino. Ma il loro ciclo di vita lascia un’eredità pesante, soprattutto in termini di materia organica disciolta (DOM) e nutrienti come azoto (N) e fosforo (P).

Cos’è questa DOM e perché ci interessa?

Pensate alla DOM come a una sorta di “zuppa organica” complessa disciolta nell’acqua. Contiene un sacco di cose: proteine, acidi umici (sostanze che danno quel colore brunastro all’acqua di alcuni fiumi), e altri composti organici. Questa zuppa non arriva solo dall’esterno, tipo dal dilavamento dei terreni, ma viene prodotta anche all’interno del lago stesso, soprattutto dalle alghe e dalle piante acquatiche.

Quando i cianobatteri crescono e poi muoiono, rilasciano un sacco di questa materia organica, specialmente vicino al fondo, nell’interfaccia sedimento-acqua. Questa DOM non è inerte: è cibo per altri microrganismi, partecipa a reazioni chimiche, può legarsi ai metalli e influenzare la disponibilità di nutrienti essenziali come il fosforo. È un attore chiave nel grande ciclo biogeochimico dei laghi.

L’esperimento: ricreare una fioritura in laboratorio

Per capirci qualcosa di più, abbiamo deciso di simulare l’intero processo in laboratorio. Abbiamo preso dei sedimenti e dell’acqua da un lago notoriamente soggetto a queste fioriture (il Lago Chaohu in Cina, ma il processo è simile in molti laghi eutrofizzati del mondo) e abbiamo ricreato delle mini-colonne d’acqua. In alcune abbiamo aggiunto una “dose” iniziale di cianobatteri (principalmente Microcystis aeruginosa, uno dei “colpevoli” più comuni) e in altre no (il nostro gruppo di controllo).

Poi, abbiamo osservato cosa succedeva per quasi due mesi, monitorando le varie fasi: crescita iniziale, fioritura esplosiva e declino. Abbiamo misurato di tutto: la clorofilla-a (un indicatore della biomassa algale), la DOM nell’acqua e nei sedimenti, i flussi di azoto e fosforo tra acqua e sedimento, e altre variabili chimico-fisiche come pH e ossigeno disciolto. Volevamo vedere l’effetto diretto della crescita e della morte dei cianobatteri su quella delicata interfaccia.

La DOM sotto i riflettori: cosa ci dice la fluorescenza?

Per “vedere” meglio la DOM, abbiamo usato una tecnica super affascinante chiamata spettroscopia di fluorescenza tridimensionale (EEM), accoppiata a un’analisi statistica chiamata PARAFAC. Immaginate di illuminare la DOM con diverse luci e vedere come “risponde” emettendo luce a sua volta. Questo ci permette di identificare diversi “componenti” fluorescenti, come delle impronte digitali che ci dicono da dove viene quella materia organica.

Abbiamo identificato quattro componenti principali:

• C1: Simile agli acidi umici, ma di origine microbica (prodotta da batteri).
• C2: Simile agli acidi umici, ma di origine terrestre (arrivata da fuori).
• C3: Simile alla tirosina (un amminoacido), proteica.
• C4: Simile al triptofano (un altro amminoacido), anch’essa proteica.

E qui arriva il bello: durante la crescita e la fioritura dei cianobatteri, nell’acqua sovrastante abbiamo visto un aumento delle componenti proteiche C3 e C4. Questo ha senso: le alghe, crescendo, rilasciano materia organica extracellulare, spesso ricca di proteine. Quando poi le alghe muoiono e si depositano sul fondo, abbiamo visto aumentare le componenti C3 e C4 anche nei sedimenti. Il ciclo di vita dei cianobatteri, quindi, “firma” la DOM in modo specifico!

Abbiamo anche guardato altri parametri della DOM, come la SUVA254 (che ci dà un’idea dell’aromaticità, cioè della presenza di certe strutture chimiche complesse) e l’SR (un rapporto tra pendenze spettrali che ci dice qualcosa sul peso molecolare medio). In breve: durante la fioritura, la DOM nell’acqua sembrava avere molecole più grandi e meno aromatiche (forse materia fresca rilasciata dalle alghe), mentre durante il declino, la decomposizione rilasciava DOM più aromatica. Nei sedimenti, la storia era un po’ diversa, influenzata dalla deposizione e dalla degradazione microbica.

Nutrienti in movimento: il ruolo chiave dei sedimenti

Ora, la domanda da un milione di dollari: come si collega tutto questo ai nutrienti, soprattutto al fosforo (P) e all’azoto (N), che sono il “carburante” principale delle fioriture? Sappiamo che i laghi eutrofizzati hanno spesso un problema di carico interno: anche se blocchiamo l’arrivo di nutrienti dall’esterno (fiumi, scarichi), i sedimenti accumulati negli anni possono continuare a rilasciare fosforo e azoto, alimentando le fioriture per molto tempo.

Ebbene, il nostro esperimento ha confermato che i cianobatteri peggiorano la situazione! Durante la fase di fioritura, abbiamo misurato un aumento significativo del flusso di fosforo dai sedimenti all’acqua. Perché? Sembra per due motivi principali:

1. Mineralizzazione del fosforo organico (OP): I batteri nei sedimenti decompongono la materia organica (incluse le alghe morte) rilasciando fosforo.
2. Trasformazione del fosforo legato a ferro/alluminio (Fe/Al-P): Le condizioni chimiche che si creano durante la fioritura (ad esempio, basso ossigeno vicino al fondo) possono favorire il rilascio del fosforo che era “intrappolato” con questi metalli nei sedimenti.

In pratica, i cianobatteri, crescendo, consumano il fosforo nell’acqua, creando un “richiamo” che spinge i sedimenti a rilasciarne di più. E questo fosforo extra… alimenta ulteriormente la fioritura! Un circolo vizioso.

Per l’azoto, la storia è un po’ diversa. Abbiamo visto che durante la crescita iniziale c’era un forte rilascio di ammonio (NH4+) dai sedimenti, probabilmente dovuto alla decomposizione generale della materia organica già presente. Durante la fioritura, invece, il rilascio di ammonio diminuiva, mentre i nitrati (NO3-) tendevano a depositarsi nei sedimenti. È interessante notare che la forma principale di azoto nell’acqua era quella disciolta (DTN), e la sua concentrazione diminuiva durante la fioritura (le alghe lo consumano) per poi risalire leggermente durante il declino.

Mettere insieme i pezzi: DOM, nutrienti e fioriture

Usando analisi statistiche come la Redundancy Analysis (RDA), abbiamo cercato di capire quali fattori ambientali influenzassero di più le componenti della DOM. Nell’acqua, il fattore chiave sembrava essere il flusso di nitrati, mentre nei sedimenti era la quantità di materia organica totale (misurata come LOI – Loss On Ignition).

È emerso chiaramente che esiste un intreccio complesso tra la DOM, i nutrienti e le fioriture. Ad esempio, la biomassa algale (Clorofilla-a) era correlata positivamente con il flusso di fosforo: più alghe, più rilascio di P dai sedimenti. Alcune componenti della DOM nell’acqua (C1, C3, C4) erano correlate negativamente con l’azoto disciolto (DTN), suggerendo che mentre le alghe consumano N, rilasciano questi tipi di DOM. Allo stesso tempo, queste componenti DOM erano correlate positivamente con il fosforo disciolto (DTP), forse indicando una fonte comune o processi collegati.

Cosa ci portiamo a casa?

Questa “indagine” nel microcosmo ci ha dato una visione più chiara di cosa succede dietro le quinte durante le fioriture di cianobatteri. Ci conferma che non basta guardare la superficie dell’acqua. L’interfaccia sedimento-acqua è un’arena dinamica dove il ciclo di vita dei cianobatteri scatena reazioni a catena che influenzano la composizione della materia organica e, soprattutto, promuovono il rilascio di nutrienti (in particolare fosforo) dal “magazzino” dei sedimenti.

Questo ha implicazioni fortissime per la gestione dei laghi. Ci dice che per combattere l’eutrofizzazione e le fioriture algali, non possiamo limitarci a controllare gli scarichi esterni. Dobbiamo pensare seriamente a come gestire il carico interno. Strategie come la rimozione fisica delle biomasse algali durante le fioriture o persino il dragaggio dei sedimenti più ricchi di nutrienti potrebbero diventare necessarie in alcuni contesti.

Certo, un esperimento di laboratorio ha i suoi limiti: non può replicare perfettamente la complessità di un lago reale, con le sue correnti, la sua biodiversità completa, ecc. Ma ci offre una lente d’ingrandimento preziosa per capire i meccanismi fondamentali. Il prossimo passo? Integrare questi risultati con studi sul campo per avere un quadro ancora più completo.

Insomma, la prossima volta che vedete un lago un po’ troppo verde, pensate a quell’intricato ballo chimico e biologico che sta avvenendo là sotto, tra acqua e fango, orchestrato in gran parte da questi microscopici ma potentissimi cianobatteri. È un mondo nascosto, ma fondamentale per la salute dei nostri ecosistemi acquatici!

Fonte: Springer