Nelle grotte ricche di idrogeno solforato di Italia e Messico, batteri estremi seguono percorsi evolutivi paralleli ma con storie di colonizzazione distinte
Uno studio pubblicato sulla rivista Applied and Environmental Microbiology ha analizzato le comunità microbiche presenti nei biofilm estremamente acidi delle grotte sulfuree di due continenti. La ricerca, firmata da Daniel S. Jones, Irene Schaperdoth, Diana E. Northup, Rodolfo Gómez-Cruz e Jennifer L. Macalady, offre nuovi elementi sulla biogeografia microbica negli ambienti ipogei estremi.[2]
Le snottiti: biofilm pendenti nelle grotte sulfuree
Le snottiti sono biofilm che si formano sulle pareti e sui soffitti delle grotte sulfuree, in prossimità delle zone dove l’idrogeno solforato (H?S) sale dalle acque sotterranee. Il loro nome evoca la consistenza mucillaginosa. Il pH di questi biofilm è compreso tra 0 e 1,5, paragonabile all’acidità dell’acido di batteria.[3][2]
Si sviluppano su superfici di gesso che li isolano dal calcare circostante. Le snottiti crescono in un intervallo preciso di concentrazione di H?S nell’atmosfera della grotta, tra 0,2 e 25 ppm. Questo li rende strutture biologiche altamente specializzate.[1]
I ricercatori hanno analizzato 26 campioni di snottiti provenienti da quattro grotte sulfuree. Le cavità coinvolte nello studio sono la Cueva de Villa Luz e la Cueva Luna Azufre, nello stato di Tabasco in Messico, e le Grotte di Frasassi con la Grotta Nuova di Rio Garrafo (Acquasanta Terme), nelle Marche in Italia.[2][1]
Le grotte di Frasassi si estendono per oltre 25 km e sono alimentate da acque con fino a 600 µM di H?S. Ad Acquasanta Terme, le acque termali raggiungono i 50°C con oltre 800 µM di H?S.[1]
Grotte sulfuree e comunità microbiche a bassissima biodiversità
Lo studio ha impiegato due tecniche principali: la clonazione del gene 16S rRNA e la ibridazione fluorescente in situ (FISH). Questi metodi permettono di identificare e quantificare i microrganismi presenti nei biofilm acidi delle grotte sulfuree.[2]
I risultati sono coerenti in tutti i 26 campioni esaminati. Le comunità microbiche mostrano una bassissima biodiversità. Il genere Acidithiobacillus, batterio solfo-ossidante autotrofo, domina in modo costante ogni campione.[2]
In molti biofilm acidi, Acidithiobacillus rappresenta oltre il 90% delle cellule totali. Gli archaea del genere Ferroplasma e altri Thermoplasmatales variano tra 0 e il 50% del totale. I parenti dei generi batterici Acidimicrobium e Ferrimicrobium arrivano fino al 15% delle cellule.[1][2]
Tra i filotipi rari figurano Sulfobacillus e membri dei phyla Candidatus Dependentiae e Candidatus Saccharibacteria. Si tratta probabilmente di simbionti o parassiti obbligati di altri organismi presenti nei biofilm.[1][2]
Convergenza tassonomica e divergenza genetica tra grotte di continenti diversi
Il risultato centrale della ricerca riguarda il confronto tra le grotte sulfuree italiane e messicane. Gli stessi generi di acidofili estremi colonizzano le snottiti su entrambi i continenti. Le comunità convergono verso una composizione funzionale analoga.[2]
Le popolazioni appartenenti agli stessi generi sono però geneticamente molto divergenti. I geni 16S rRNA di Acidithiobacillus tra Italia e Messico condividono meno del 95% di somiglianza. Le sequenze di Ferroplasma risultano simili per meno del 97%, quelle di Sulfobacillus per meno del 92%.[1][2]
Queste differenze corrispondono a decine di milioni di anni di evoluzione separata. I tassi evolutivi del gene 16S rRNA si attestano tra 0,025 e 0,091% per milione di anni.[1]
Nelle grotte italiane, tutte le sequenze di Acidithiobacillus appartengono alla specie A. thiooxidans. Nelle grotte messicane, i ceppi appartengono a una specie distinta, più vicina ad A. caldus. Il sequenziamento profondo di oltre 246.000 sequenze ampliconiche dalle grotte messicane non ha rilevato tracce di A. thiooxidans.[1]
Il modello di assemblaggio nelle grotte sulfuree: colonizzazione stocastica e isolamento geografico
Le analisi statistiche confermano differenze significative tra le comunità microbiche delle diverse grotte sulfuree. L’analisi delle componenti principali (PCA) spiega oltre il 75% della varianza totale. Il test ANOSIM indica che le comunità di grotte diverse sono significativamente differenti (R = 0,268; P = 0,013).[1]
Il test di Mantel rivela una correlazione tra dissimilarità comunitaria e distanza geografica. Grotte geograficamente più vicine ospitano comunità più simili, indipendentemente dalla concentrazione di H?S nell’aria.[4][1]
I ricercatori propongono un modello in tre fasi. Prima, le grotte sulfuree vengono colonizzate in modo stocastico da microrganismi presenti nelle vicinanze. Poi l’ambiente estremo — con pH tra 0 e 1 — agisce come un filtro selettivo fortissimo. Solo gli organismi capaci di tollerare l’acidità estrema sopravvivono e si moltiplicano. Infine, le barriere alla dispersione mantengono le popolazioni separate nel tempo.[2]
Le snottiti funzionano come “isole acide” immerse in un “mare” di calcare alcalino. La combinazione di colonizzazione stocastica, selezione ambientale estrema e dispersione limitata produce comunità convergenti a livello di genere ma divergenti a livello di popolazione.[5][2]
Implicazioni per la microbiologia delle grotte e le applicazioni industriali
Gli acidofili estremi delle grotte sulfuree non sono solo oggetto di studio teorico. Questi microrganismi sono catalizzatori dell’alterazione della roccia e del ciclo dei metalli negli ambienti naturalmente acidi. Sono protagonisti anche di processi industriali come il biomining e la bonifica dei drenaggi acidi di miniera.[2]
Capire come si distribuiscono e si assemblano le loro comunità nei biofilm acidi può migliorare la capacità di prevedere e utilizzare la loro attività in sistemi naturali e ingegnerizzati. La presenza di popolazioni geneticamente distinte nelle diverse grotte sulfuree indica che ogni cavità custodisce un patrimonio microbico unico.[2][1]
Le grotte di Frasassi, già oggetto di numerose ricerche microbiologiche, si confermano laboratori naturali ideali per studiare l’ecologia e la biogeografia dei biofilm acidi. Studi precedenti avevano già documentato la struttura delle comunità microbiche nei torrenti corrosivi dello stesso sistema carsico. Questo lavoro ne estende il confronto a scala intercontinentale.[6]
Il contributo scientifico dello studio rafforza l’immagine delle grotte sulfuree come ambienti-chiave per comprendere l’evoluzione microbica in condizioni estreme. I biofilm acidi di questi sistemi rappresentano, in definitiva, archivi viventi della storia biogeografica dei microrganismi del sottosuolo.[5][2]
Fonti
[1] Biofilm acidi nelle grotte sulfuree: comunità microbiche convergenti … https://www.scintilena.com/biofilm-acidi-nelle-grotte-sulfuree-comunita-microbiche-convergenti-su-scala-globale/03/11/
[2] Convergent Community Assembly among Globally Separated Acidic Cave Biofilms https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9888236/
[3] Community genomic analysis of an extremely acidophilic sulfur-oxidizing biofilm https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3246232/
[4] GLOBAL BIOGEOGRAPHY AND DIVERSITY OF EXTREMELY ACIDIC CAVE-DWELLING ACIDOPHILIC COMMUNITIES https://gsa.confex.com/gsa/2019AM/webprogram/Paper339909.html
[5] Biogeography of sulfur-oxidizing Acidithiobacillus populations in extremely acidic cave biofilms https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5148195/
[6] Dominant Microbial Populations in Limestone-Corroding Stream Biofilms, Frasassi Cave System, Italy | Applied and Environmental Microbiology https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.00715-06
[7] 01-Introduzione-alla-speleologia.ppt.txt https://ppl-ai-file-upload.s3.amazonaws.com/web/direct-files/collection_08c39ce1-fb5a-4696-a8a1-73d261c2e891/86d36e7b-fb33-423c-9ed5-5859bb837351/01-Introduzione-alla-speleologia.ppt.txt
[8] 02-Evoluzione-speleo-italia.ppt.txt https://ppl-ai-file-upload.s3.amazonaws.com/web/direct-files/collection_08c39ce1-fb5a-4696-a8a1-73d261c2e891/35124a74-892b-451f-9c91-aa405245406d/02-Evoluzione-speleo-italia.ppt.txt
[9] 03-Speleologia-e-ricerca-scientifica.ppt.txt https://ppl-ai-file-upload.s3.amazonaws.com/web/direct-files/collection_08c39ce1-fb5a-4696-a8a1-73d261c2e891/2e8b1d27-c01e-4793-9b8a-e405da6de545/03-Speleologia-e-ricerca-scientifica.ppt.txt
[10] Unique architecture of microbial snottites from a methane driven biofilm revealed by confocal microscopy https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1002/jemt.24422
[11] Early taphonomic processes in a microbial-based sedimentary system from a temperate salt-pan site (Cervia salterns, Italy) https://www.cambridge.org/core/services/aop-cambridge-core/content/view/9A249EA55E095F2B35F497DDBC16F79D/S1473550422000283a.pdf/div-class-title-early-taphonomic-processes-in-a-microbial-based-sedimentary-system-from-a-temperate-salt-pan-site-cervia-salterns-italy-div.pdf
[12] Oxygen-dependent niche formation of a pyrite-dependent acidophilic consortium built by archaea and bacteria https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3749503/
[13] Biomineralization of primary carbonate cements: a new biosignature in the fossil record from the Anisian of Southern Italy https://iris.unimore.it/bitstream/11380/1270398/2/let.12450.pdf
[14] Nuovo meccanismo di sviluppo delle grotte: il ruolo dell’ammoniaca … https://www.scintilena.com/nuovo-meccanismo-di-sviluppo-delle-grotte-il-ruolo-dellammoniaca-biogenica/05/17/
[15] Nuove Strategie contro la Lampenflora nelle Grotte Turistiche https://www.scintilena.com/nuove-strategie-contro-la-lampenflora-nelle-grotte-turistiche-studio-comparativo-dei-trattamenti-di-pulizia/08/16/
[16] Microplastiche nelle grotte turistiche italiane: una nuova … – Scintilena https://www.scintilena.com/microplastiche-nelle-grotte-turistiche-italiane-una-nuova-minaccia-per-il-patrimonio-geologico-mondiale/08/17/
[17] Biospeleologia: cosa cercano i biologi nelle grotte – Scintilena https://www.scintilena.com/biospeleologia-cosa-cercano-i-biologi-nelle-grotte/11/21/
[18] 99 cose che non sai sulle grotte sulfuree https://www.scintilena.com/99-cose-che-non-sai-sulle-grotte-sulfuree/02/05/
[19] Dal cuore delle grotte: i depositi chimici svelano l’evoluzione dei batteri – Scintilena https://www.scintilena.com/dal-cuore-delle-grotte-i-depositi-chimici-svelano-levoluzione-dei-batteri/05/24/
[20] Ciclo dello zolfo nel sistema carsico di Frasassi https://www.scintilena.com/ciclo-dello-zolfo-nel-sistema-carsico-di-frasassi-nuove-scoperte-microbiologiche/08/16/
[21] Biospeleologia Archivi – Scintilena https://www.scintilena.com/category/biospeleologia/
[22] A Frasassi uno Studio sulla Diluizione delle acque … https://www.scintilena.com/a-frasassi-uno-studio-sulla-diluizione-delle-acque-sotterranee-e-condizioni-di-flusso-nelle-grotte-di-acido-solforico/12/17/
[23] Biospeleologia Archivi – Pagina 2 di 25 – Scintilena https://www.scintilena.com/category/biospeleologia/page/2/
[24] Monitoraggio microbico in grotte italiane – Cave Microbial … https://www.scintilena.com/monitoraggio-microbico-in-grotte-italiane-cave-microbial-survey/05/07/
[25] Scintilena – Notiziario di speleologia e del sottosuolo – Scintilena https://www.scintilena.com/page/97/
[26] Batteri di 5.000 anni resistenti agli antibiotici scoperti nella Grotta di … https://www.scintilena.com/batteri-di-5-000-anni-resistenti-agli-antibiotici-scoperti-nella-grotta-di-scarisoara-in-romania/02/19/
[27] Scintilena https://www.scintilena.com/page/35/
[28] Primi studi microbiologici delle grotte nei gessi messiniani … https://www.venadelgesso.it/unesco/microbiologia.pdf
[29] Grotta di Villa Luz https://it.wikipedia.org/wiki/Grotta_di_Villa_Luz
[30] La – Biofilm acidi nelle grotte sulfuree: comunità microbiche … https://www.facebook.com/Scintilena/photos/biofilm-acidi-nelle-grotte-sulfuree-comunit%C3%A0-microbiche-convergenti-su-scala-glo/1548586583940539/
[31] Biofilms, including Snottites, from Caves and Mines in … https://pure.hud.ac.uk/en/studentTheses/biofilms-including-snottites-from-caves-and-mines-in-northern-eng/
[32] Biogeography of sulfur-oxidizing Acidithiobacillus populations in extremely acidic cave biofilms https://ouci.dntb.gov.ua/en/works/4kAe8Do9/
[33] LE EVAPORITI DELL’APPENNINO SETTENTRIONALE … https://www.venadelgesso.it/unesco/vol%20unesco.pdf
[34] OTTO RA https://www.gsb-usb.it/sottoterra/064.pdf
[35] comunità microbiche convergenti su scala globale https://www.facebook.com/groups/1478140665796298/posts/4318564135087256/
[36] Biofilm acidi nelle grotte sulfuree: comunità microbiche … https://www.facebook.com/Scintilena/posts/biofilm-acidi-nelle-grotte-sulfuree-comunit%C3%A0-microbiche-convergenti-su-scala-glo/1548586880607176/
[37] INDAGINI SuLLA MICROBIOLOGIA DEL COMPLESSO … https://www.venadelgesso.it/assets/15-bianco-et-alii-sb.pdf
[38] BIOFILM MICROBICI NELLE RETI IDRICHE https://publ.iss.it/ITA/Items/GetPDF?uuid=3626d29d-ea6f-4b62-bb3f-082db3a2b9f4