Oceani Nascosti: Alla Scoperta dei Microbi Marini che Trasformano l’Ammoniaca

Ciao a tutti, appassionati di scienza e misteri degli abissi! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore blu del nostro pianeta, ma non per osservare balene o coralli colorati (anche se sono meravigliosi!). No, scenderemo molto più in profondità, a livello microscopico, per incontrare alcuni degli abitanti più importanti e misconosciuti degli oceani: i microrganismi che ossidano l’ammoniaca.

Forse vi starete chiedendo: “E chi sono questi tizi? E perché dovrebbero interessarmi?”. Beh, preparatevi, perché questi microbi sono dei veri e propri motori invisibili che tengono in moto uno dei cicli biogeochimici fondamentali per la vita sulla Terra: il ciclo dell’azoto. Senza di loro, l’ecosistema marino come lo conosciamo semplicemente non esisterebbe.

Gli Attori Principali: AOA e AOB

I protagonisti della nostra storia sono due gruppi principali di microrganismi: gli archei ossidanti ammoniaca (AOA) e i batteri ossidanti ammoniaca (AOB). Entrambi fanno la stessa cosa fondamentale: prendono l’ammoniaca (NH₃), una sostanza che deriva dalla decomposizione della materia organica o dagli scarti degli organismi marini, e la trasformano in nitrito (NO₂⁻). Questo è il primo, cruciale passo della nitrificazione, un processo che alla fine rende l’azoto disponibile in forme utilizzabili da altri organismi, come il fitoplancton alla base della catena alimentare marina.

Per molto tempo, abbiamo pensato che fossero soprattutto i batteri (AOB) a fare questo lavoro sporco negli oceani. Ma poi, circa un paio di decenni fa, la scoperta degli archei (AOA) capaci di fare la stessa cosa ha rappresentato una vera rivoluzione! Studi successivi hanno iniziato a suggerire che, in molti ambienti marini, gli AOA non solo sono presenti, ma sono spesso molto più abbondanti e diffusi degli AOB, specialmente nelle acque povere di nutrienti (oligotrofiche) degli oceani aperti.

Ma come facciamo a sapere chi sono, dove vivono e quanti sono? Qui entra in gioco la genetica. Utilizziamo un gene specifico, chiamato amoA, che codifica per una parte chiave dell’enzima responsabile dell’ossidazione dell’ammoniaca (l’ammoniaca monossigenasi, o AMO). Questo gene funziona un po’ come un codice a barre molecolare: analizzando le sue sequenze estratte da campioni ambientali (acqua, sedimenti, organismi), possiamo identificare i diversi tipi di AOA e AOB presenti e capire le loro relazioni evolutive (filogenesi).

Una Mappa del Tesoro Microbico: La Sfida della Distribuzione

Recentemente, abbiamo intrapreso un’analisi su larga scala, una sorta di “censimento” basato su migliaia di sequenze del gene amoA archiviate in database pubblici provenienti da studi condotti in tutto il mondo. L’obiettivo? Cercare di tracciare una mappa più chiara della diversità e della distribuzione di questi microrganismi nei vari habitat marini.

Quello che abbiamo scoperto è affascinante, ma rivela anche quanto ancora non sappiamo. La maggior parte delle sequenze analizzate proviene da sedimenti di estuari e acque costiere. Questo significa che ambienti vasti e cruciali come:

• L’oceano aperto pelagico (le immense distese d’acqua lontane dalle coste)
• Le zone a minimo di ossigeno (OMZ), aree affascinanti dove l’ossigeno scarseggia
• Le profondità abissali
• Le sorgenti idrotermali, oasi di vita estrema sui fondali
• Gli organismi bentonici come coralli e spugne, veri e propri “condomini” microbici

sono ancora relativamente poco esplorati per quanto riguarda questi specifici microbi. È come avere una mappa del mondo con solo alcune città illuminate e vasti continenti ancora al buio!

Gli Archei (AOA): Campioni di Diversità e Adattamento

Una delle scoperte più sorprendenti riguarda gli AOA. La nostra analisi ha rivelato che mostrano una diversità filogenetica significativamente maggiore rispetto agli AOB. Abbiamo identificato ben 25 cladi (gruppi evolutivi) principali di AOA marini, contro i 13 degli AOB. Ma la cosa ancora più intrigante è che una porzione enorme di queste sequenze di AOA (oltre il 50%!) non appartiene a nessun lignaggio conosciuto e coltivato in laboratorio. Si tratta di gruppi completamente nuovi (li abbiamo chiamati cluster I-XI, XIII, XV, XVIII, XX, XXII e XXIV), un vero tesoro nascosto di diversità microbica che aspetta solo di essere scoperto e caratterizzato! Immaginate quante nuove strategie di vita e adattamenti potremmo scoprire studiandoli.

Tra gli AOA “noti”, i gruppi dominanti che abbiamo trovato sono:

• Ca. Nitrosopelagicus: particolarmente abbondante nella colonna d’acqua, sembra essere un vero cittadino degli oceani aperti e delle zone povere di nutrienti.
• Nitrosoarchaeum: più comune nei sedimenti, specialmente in quelli costieri ed estuarini.
• Nitrosopumilus: un gruppo molto versatile, trovato un po’ ovunque, dai sedimenti alle acque, fino agli acquari marini.

Altri gruppi come Ca. Nitrosotenuis, Nitrososphaera, Ca. Nitrosocaldus, Ca. Nitrosocosmicus e Ca. Nitrosotalea sono presenti ma meno abbondanti, spesso con preferenze per habitat specifici, a volte sorprendentemente trovati in ambienti marini nonostante siano più tipici di suoli o sorgenti termali.

Questa grande diversità e la loro capacità di prosperare anche in condizioni difficili (poco ossigeno, pochi nutrienti) suggeriscono che gli AOA possiedono una maggiore versatilità ecologica rispetto agli AOB. Sembrano essere i campioni dell’adattamento negli ambienti marini più estremi o oligotrofici.

I Batteri (AOB): Amanti dell’Abbondanza?

E gli AOB? La nostra meta-analisi ha raccolto meno sequenze per loro rispetto agli AOA, forse anche perché sono stati oggetto di meno studi focalizzati specificamente sugli ambienti marini meno accessibili. La stragrande maggioranza delle sequenze di AOB proveniva dai sedimenti (circa l’80%).

Il gruppo dominante tra gli AOB marini identificati è risultato essere Nitrosospira. Questo genere è stato trovato in diversi habitat, ma sembra particolarmente abbondante nei sedimenti costieri ed estuarini. Curiosamente, un particolare clade di Nitrosospira (clade V) è stato trovato prevalentemente nella colonna d’acqua, suggerendo adattamenti specifici anche all’interno di questo genere.

Il secondo gruppo più rappresentato è Nitrosomonas, anch’esso trovato principalmente nei sedimenti, soprattutto quelli degli estuari, ambienti notoriamente ricchi di nutrienti. Alcuni sottogruppi sembrano legati a specie note per la loro tolleranza alla salinità (come N. marina) o per la loro capacità di vivere in ambienti poveri (N. oligotropha) o ricchi di ammoniaca (N. europaea).

Infine, il genere Nitrosococcus, un tempo considerato importante in alcune zone oceaniche, è risultato molto poco rappresentato nella nostra analisi, trovato principalmente in sedimenti costieri/estuarini e associato a spugne.

In generale, il quadro che emerge per gli AOB marini è quello di una predilezione per ambienti più ricchi di nutrienti e potenzialmente meno estremi rispetto a quelli dominati dagli AOA, come gli estuari e le zone costiere.

Sedimenti vs Acqua: Mondi Diversi

L’analisi statistica (usando tecniche come NMDS, PERMANOVA e ANOSIM) ha confermato che le comunità di AOA e AOB nei sedimenti sono significativamente diverse da quelle che popolano la colonna d’acqua. È come se ci fossero due “nazioni” microbiche distinte che coesistono nello stesso oceano ma preferiscono “città” (habitat) diverse.

Nei sedimenti, abbiamo trovato la maggior parte degli OTU (Operational Taxonomic Units, un modo per raggruppare sequenze simili) unici sia per AOA che per AOB. Questo suggerisce che i fondali marini ospitano una biodiversità specializzata e distinta. Nella colonna d’acqua, invece, dominano cladi specifici come Ca. Nitrosopelagicus per gli AOA e il clade V di Nitrosospira per gli AOB, oltre a molti dei cladi AOA ancora non classificati, specialmente nelle acque profonde e nelle OMZ.

Anche la profondità gioca un ruolo, soprattutto per gli AOA. Sembra esserci una distinzione tra ecotipi adattati alle acque superficiali illuminate (WCA – Water Column group A, come alcuni Ca. Nitrosopelagicus) e quelli adattati alle profondità oscure e fredde (WCB – Water Column group B, probabilmente rappresentati da molti dei cladi non classificati).

Microbi Ospiti: Vita su Coralli e Spugne

Un capitolo interessante riguarda i microbi ossidanti ammoniaca che vivono in stretta associazione con organismi bentonici come coralli e spugne. Questi animali sono veri e propri ecosistemi ambulanti e i microbi giocano ruoli cruciali nel loro metabolismo, incluso il ciclo dell’azoto.

Dai dati disponibili, sembra che gli AOA (in particolare Ca. Nitrosopelagicus e Ca. Nitrosocaldus) siano più abbondantemente rilevati nei coralli rispetto agli AOB (dove abbiamo trovato solo Nitrosospira, ma i dati sono scarsi). Nelle spugne, invece, sia AOA (con molti cladi non classificati e Nitrosopumilus) che AOB (principalmente Nitrosospira) sembrano essere presenti in proporzioni simili. C’è ancora molto da capire su queste simbiosi e su come l’ospite o l’ambiente influenzino la composizione di queste comunità microbiche.

Cosa Ci Riserva il Futuro?

Questa grande meta-analisi ci ha offerto uno sguardo più ampio sulla diversità e distribuzione degli AOA e AOB marini, ma ha soprattutto evidenziato quante domande rimangono aperte. Abbiamo capito che gli AOA sono incredibilmente diversi e adattabili, dominando spesso le vaste distese oceaniche e gli ambienti estremi, mentre gli AOB sembrano preferire le zone costiere più ricche.

Ma la nostra mappa è ancora piena di zone bianche. C’è un bisogno urgente di intensificare le ricerche negli habitat meno campionati: le profondità oceaniche, le zone a minimo di ossigeno, le sorgenti idrotermali e gli organismi bentonici. Dobbiamo capire chi sono veramente quei cladi di AOA non classificati e qual è il loro ruolo ecologico. Abbiamo bisogno di comprendere meglio la diversità e la funzione degli AOB negli ambienti oceanici aperti e nelle OMZ, dove sembrano meno presenti ma potrebbero avere ruoli specifici.

Le nuove tecnologie di sequenziamento e gli approcci multi-omici (che studiano non solo i geni, ma anche i trascritti, le proteine, i metaboliti) saranno fondamentali per svelare i segreti di questi affascinanti microbi.

La nostra avventura nell’oceano microscopico è appena iniziata. Continuare a esplorare questo mondo nascosto non è solo una questione di curiosità scientifica, ma è essenziale per comprendere come funzionano gli ecosistemi marini e come potrebbero rispondere ai cambiamenti ambientali globali. Chissà quali altre sorprese ci riserva il grande blu!

Fonte: Springer