L’influenza del ferro sui livelli di CO2 nella respirazione microbica in ambiente oceanico
La maggior parte della biomassa oceanica comprende microrganismi quali i fitoplancton e i batteri. I fitoplancton catturano l’energia solare presso la superficie degli oceani e si avvalgono della fotosintesi per assorbire anidride carbonica (CO2) e rilasciare diossigeno (O2). Al contrario, i batteri utilizzano l’O2 per crescere e rilasciano la CO2 durante il processo di respirazione. «Ogni anno presso la superficie dell’oceano vengono catturate all’incirca 10 tonnellate di carbonio, una quantità più o meno equivalente alle emissioni globali di CO2 dovute ad attività antropogeniche», afferma Marion Fourquez, borsista Marie Skłodowska-Curie del progetto BULLE, finanziato dall’UE. «Il destino di questa grande concentrazione di CO2 è tuttavia sconosciuto. Invece di venire sequestrata dai batteri nelle profondità oceaniche, essi potrebbero assimilarla mediante respirazione.» L’«equilibrio metabolico» dell’oceano, ovvero la differenza tra il tasso di sequestro della CO2 attraverso la fotosintesi e il rilascio di CO2 nell’atmosfera tramite la respirazione, genera importanti conseguenze sul clima. «Sebbene sia noto che la respirazione batterica rappresenti una percentuale compresa tra il 50 e il 90 % della respirazione totale negli oceani, il suo ruolo di fondamentale importanza nel sequestro oceanico della CO2 è tuttora poco studiato», aggiunge Fourquez, ricercatrice attiva presso l’Università di Aix-Marseille, l’ateneo che ha ospitato il progetto. BULLE ha valutato il «quoziente respiratorio» (QR), ossia il rapporto tra il volume di CO2 consumata e O2 prodotto, per contribuire alla realizzazione di stime sulla cattura oceanica del carbonio.
L’equilibrio metabolico dell’oceano
Quando prevale la fotosintesi l’oceano si trova in uno stato di «autotrofia» netta, contraddistinto da una situazione in cui i fitoplancton producono una quantità di O2 e materia organica maggiore rispetto a quella consumata da altri organismi, come ad esempio i batteri mediante respirazione. D’altro canto, quando prevale la respirazione l’oceano può diventare un contributore netto di CO2 atmosferica, il che costituisce una dinamica compresa in modo meno chiaro in parte a causa dell’incapacità delle tecniche tradizionali di misurare adeguatamente la CO2 rilasciata per mezzo della respirazione microbica. Pertanto, i tassi di respirazione sono sempre misurati come tassi di consumo di O2 e vengono successivamente convertiti in tassi di CO2 attraverso l’applicazione di un QR, il cui valore è preventivamente fissato dalla maggior parte degli studi a 1. «In teoria, la fonte di carbonio usata nella respirazione batterica modifica il QR, rendendolo variabile. In base alla mia ipotesi, anche i percorsi metabolici alternativi potrebbero alterare il QR, possibilmente come strategia di adattamento allo stress», spiega Fourquez. «Siamo stati i primi a scoprire che il QR diminuisce notevolmente quando le cellule batteriche si trovano in condizioni di deprivazione di ferro, una rivelazione significativa in quanto la carenza di ferro interessa fino a un terzo della superficie oceanica totale a livello globale, determinando incertezza negli attuali calcoli relativi al ciclo del carbonio.»
Studi cellulari e comunitari
BULLE ha combinato diverse tecniche per misurare il QR nei batteri marini, sia in laboratorio (in condizioni controllate caratterizzate da una biomassa maggiore e, di conseguenza, da un segnale più forte) che sul campo (dove la biomassa è inferiore, per cui i sensori rilevano un segnale più debole). In laboratorio, per misurare la produzione di CO2 e il consumo di O2 nel corso della respirazione batterica, è stata impiegata la spettrometria di massa con introduzione mediante membrana. «Sebbene questo metodo non sia mai stato utilizzato in precedenza con questa finalità, siamo riusciti ad attuarlo con molteplici sensori, ad esempio per la temperatura, il pH, ecc.», osserva Fourquez. La ricercatrice ha inoltre elaborato un nuovo metodo nell’ambiente marino, durante la spedizione nell’Oceano Antartico chiamata SWINGS, avvalendosi della marcatura isotopica stabile (13C) allo scopo di misurare la produzione di CO2 e l’assimilazione di carbonio nelle cellule batteriche durante la respirazione. «Ciò mi ha consentito di seguire il percorso del carbonio, dall’ambiente alla cellula e nuovamente al di fuori di essa in seguito alla respirazione», spiega. Per effettuare una stima precisa del QR in più siti è stata impiegata una combinazione di tecniche, ossia principalmente la NanoSIMS, la spettrometria di massa con gas di prova, il metodo tradizionale di Winkler e sensori moderni per il rilevamento dell’O2.
Verso la modellizzazione del bilancio di carbonio globale
L’intensità e la variabilità della respirazione microbica sono fattori che determinano la deossigenazione oceanica, un processo alla base della riduzione della vita acquatica. Si prevede che a medie e alte latitudini si verifichi un’ulteriore perdita di ossigeno, aggravata dalla maggiore respirazione. «La nostra innovativa combinazione di spettrometria di massa e tecnologie biomolecolari è ora in grado di contribuire al miglioramento della comprensione relativa al ciclo di ossigeno nell’oceano», aggiunge la ricercatrice. Fourquez ha ora in programma di modellizzare il bilancio globale del carbonio, oltre a sviluppare bioindicatori intuitivi per monitorare e prevenire il verificarsi di eventi episodici di deossigenazione.
Parole chiave
BULLE, fotosintesi, fitoplancton, respirazione microbica, carbonio, oceano, ferro, ossigeno, spettrometria di massa
