Nelle grotte ricche di idrogeno solforato di Italia e Messico, i batteri estremi seguono percorsi evolutivi paralleli ma con storie di colonizzazione uniche

Uno studio pubblicato sulla rivista Applied and Environmental Microbiology ha analizzato le comunità microbiche presenti nei biofilm estremamente acidi, noti come snottiti, all’interno di grotte sulfuree situate su due continenti diversi.

La ricerca, condotta da Daniel S. Jones, Irene Schaperdoth, Diana E. Northup, Rodolfo Gómez-Cruz e Jennifer L. Macalady, ha coinvolto quattro grotte ricche di idrogeno solforato in Italia e Messico, rivelando un meccanismo di assemblaggio delle comunità microbiche che combina convergenza tassonomica e divergenza geografica.[1]

Le snottiti: biofilm estremi nelle grotte sulfuree

Le snottiti sono biofilm pendenti dalle pareti e dai soffitti delle grotte sulfuree, in zone dove l’idrogeno solforato (H?S) si libera dalle acque sotterranee nell’atmosfera della cavità.

Questi biofilm presentano valori di pH compresi tra 0 e 1,5, paragonabili all’acidità dell’acido di batteria. Si formano sulla superficie di residui di gesso che li isolano dal calcare circostante. Le snottiti si sviluppano in un intervallo specifico di concentrazione di H?S, compreso tra 0,2 e 25 ppm nell’atmosfera della grotta .[1]

I ricercatori hanno analizzato 26 campioni di snottiti provenienti da quattro grotte sulfuree: la Cueva de Villa Luz e la Cueva Luna Azufre nello stato di Tabasco, in Messico, e le Grotte di Frasassi e la Grotta Nuova di Rio Garrafo (Acquasanta Terme) nella regione Marche, in Italia .

Le grotte di Frasassi, con oltre 25 km di sviluppo, sono alimentate da acque contenenti fino a 600 ?M di H?S, mentre ad Acquasanta Terme le acque termali raggiungono i 50°C con oltre 800 ?M di H?S .

Comunità microbiche a bassa biodiversità dominate da Acidithiobacillus

Lo studio ha impiegato tecniche di clonazione del gene 16S rRNA e ibridazione fluorescente in situ (FISH) per identificare e quantificare i microrganismi presenti nei biofilm acidi delle grotte sulfuree.

I risultati mostrano che tutte le snottiti analizzate ospitano comunità microbiche a bassissima biodiversità. Il genere Acidithiobacillus, un batterio solfo-ossidante autotrofo, domina in modo costante tutti i campioni, rappresentando oltre il 50% delle cellule nella quasi totalità dei biofilm e raggiungendo anche il 90% in alcuni casi .[1]

Accanto a Acidithiobacillus, i ricercatori hanno individuato archea del genere Ferroplasma e dell’ordine Thermoplasmatales, che costituiscono dallo 0 al 50% delle cellule totali. Batteri affini ai generi Acidimicrobium e Ferrimicrobium raggiungono fino al 15% delle cellule.

Tra i filotipi più rari figurano Sulfobacillus e membri dei phyla “Candidatus Dependentiae” e “Candidatus Saccharibacteria”, probabilmente simbionti o parassiti obbligati di protisti e funghi presenti nei biofilm .[1]

Convergenza tassonomica e divergenza genetica tra continenti

Il risultato più rilevante riguarda la struttura delle comunità microbiche nelle grotte sulfuree dei due continenti. Gli stessi generi di acidofili estremi colonizzano le snottiti sia in Italia sia in Messico.

Le comunità convergono verso una composizione funzionale analoga. Le popolazioni appartenenti ai medesimi generi, però, risultano geneticamente molto divergenti.[1]

I geni 16S rRNA di Acidithiobacillus tra Italia e Messico condividono meno del 95% di somiglianza . Le sequenze di Ferroplasma sono simili per meno del 97% e quelle di Sulfobacillus per meno del 92% . Queste differenze corrispondono a decine di milioni di anni di evoluzione separata, dato che i tassi evolutivi del gene 16S rRNA si attestano tra 0,025 e 0,091% per milione di anni .

Nelle grotte italiane, tutte le sequenze di Acidithiobacillus appartengono alla specie A. thiooxidans, mentre nelle grotte messicane si tratta di una specie distinta, più vicina ad A. caldus . Le analisi di sequenziamento profondo su oltre 246.000 sequenze ampliconiche provenienti dalle grotte messicane non hanno individuato alcuna traccia di A. thiooxidans .

Il modello di assemblaggio delle comunità nelle grotte sulfuree

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), e il test di Mantel rivela una correlazione tra dissimilarità comunitaria e distanza geografica .

I ricercatori propongono un modello in cui le grotte sulfuree vengono colonizzate in modo stocastico da microrganismi provenienti da fonti locali. 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. Le barriere alla dispersione sono elevate: le snottiti funzionano come “isole acide” in un “mare” di calcare alcalino . La combinazione di colonizzazione stocastica, selezione ambientale e dispersione limitata produce comunità convergenti a livello di genere ma divergenti a livello di popolazione.[1]

Implicazioni per la speleologia e la microbiologia ambientale

Questo studio offre un contributo importante alla comprensione della biogeografia microbica negli ambienti ipogei estremi. Gli acidofili estremi sono catalizzatori dell’alterazione della roccia, del ciclo dei metalli e della formazione di minerali secondari negli ambienti naturalmente acidi. Sono inoltre protagonisti di processi industriali su larga scala come il biomining e la bioremediation di drenaggi acidi di miniera.[1]

Le grotte sulfuree come Frasassi, già oggetto di numerose ricerche microbiologiche, si confermano laboratori naturali ideali per studiare i meccanismi di evoluzione e assemblaggio delle comunità microbiche in condizioni estreme. La ricerca dimostra che l’isolamento geografico del sottosuolo gioca un ruolo determinante nella storia evolutiva dei biofilm acidi, suggerendo che ogni grotta sulfurea possa ospitare popolazioni microbiche uniche, modellate dalla propria storia di colonizzazione .[2][3]

Fonti
[1] Convergent Community Assembly among Globally Separated Acidic Cave Biofilms https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9888236/
[2] 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/
[3] Scoperta di Thiovibrio frasassiensis: un nuovo batterio … https://www.scintilena.com/scoperta-di-thiovibrio-frasassiensis-un-nuovo-batterio-nelle-viscere-del-carso/08/17/
[7] Next?generation studies of microbial biofilm communities https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1751-7915.12390
[8] Ecological distribution and population physiology defined by proteomics in a natural microbial community https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2913395/
[9] Community transcriptomics reveals unexpected high microbial diversity in acidophilic biofilm communities https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4817702/
[10] Microbial communities inhabiting shallow hydrothermal vents as sentinels of acidification processes https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2023.1233893/pdf
[11] In situ modelling of biofilm formation in a hydrothermal spring cave https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7729855/
[12] Four species of bacteria deterministically assemble to form a stable biofilm in a millifluidic channel https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8342524/
[13] Bacterial diversity differences along an epigenic cave stream reveal evidence of community dynamics, succession, and stability https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4508600/
[14] Scoperta la più grande ragnatela del mondo in una grotta sulfurea https://www.scintilena.com/una-metropoli-di-ragni-in-una-grotta-sulfurea-scoperta-la-piu-grande-tela-ragnatela-mai-documentata/11/06/
[15] Ghiacciai in Fusione: Nuove Scoperte sui Batteri e Virus Rilasciati dal … https://www.scintilena.com/ghiacciai-in-fusione-nuove-scoperte-sui-batteri-e-virus-rilasciati-dal-ghiaccio/01/18/
[16] Adattamenti degli organismi alla vita sotterranea – Scintilena https://www.scintilena.com/adattamenti-degli-organismi-alla-vita-sotterranea/03/17/
[17] Microplastiche in Grotte Inesplorate: Studio Inedito Rivela … https://www.scintilena.com/microplastiche-in-grotte-inesplorate-studio-inedito-rivela-inquinamento-nel-continente-buio-abruzzese-2/08/24/
[18] Nuove scoperte sulla meiofauna ipogea conquistano il … https://www.scintilena.com/nuove-scoperte-sulla-meiofauna-ipogea-conquistano-il-terzo-posto-al-premio-badino-2025/07/25/
[19] Le miniere abbandonate della Majella: situazione attuale, … https://www.scintilena.com/doppio-appuntamento-in-abruzzo-le-miniere-abbandonate-della-majella-situazione-attuale-nuove-scoperte-e-prospettive-future/03/08/2/
[20] Acqua su Marte in abbondanza ecco la mappa https://www.scintilena.com/acqua-su-marte-in-abbondanza-ecco-la-mappa/08/25/
[21] Primo censimento delle grotte a rischio del Comune di Narni – Scintilena https://www.scintilena.com/primo-censimento-delle-grotte-a-rischio-del-comune-di-narni/10/12/
[22] Esercitazione squadra forra CNSAS Lombardo https://www.scintilena.com/esercitazione-squadra-forra-cnsas-lombardo-formazione-e-scenari-operativi-in-val-parina/05/13/
[23] Grotta Luftloch: la società Adriatica di Speleologia dopo 23 anni di lavoro scopre un nuovo tratto sotterraneo del Fiume Timavo. – Scintilena https://www.scintilena.com/grotta-luftloch-la-societa-adriatica-di-speleologia-dopo-23-anni-di-lavoro-scopre-un-nuovo-tratto-sotterraneo-del-fiume-timavo/03/27/
[24] Programma Frasassi 2004 – Scintilena https://www.scintilena.com/programma-frasassi-2004/10/15/
[25] Disponibile l’ultimo bollettino dell’Union international de Speleologie UIS Volume 64-1 – Scintilena https://www.scintilena.com/disponibile-lultimo-bollettino-dellunion-international-de-speleologie-uis-volume-64-1/07/11/
[26] L’Iconografia Rupestre del Leone: Un Viaggio nella … https://www.scintilena.com/liconografia-rupestre-del-leone-un-viaggio-nella-preistoria-di-chauvet/02/07/
[27] Foto in grotta con macchinette del c… – Scintilena https://www.scintilena.com/foto-in-grotta-con-macchinette-del-c/11/30/
[28] I Connutti di Vignanello (VT) su You Tube – Scintilena https://www.scintilena.com/i-connutti-di-vignanello-vt-su-you-tube/07/12/
[29] Dominant Microbial Populations in Limestone-Corroding Stream Biofilms, Frasassi Cave System, Italy https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC1538711/
[30] Metagenomic insights into S(0) precipitation in a terrestrial subsurface lithoautotrophic ecosystem https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4288042/
[31] Between history, work and passion: medieval castle, mud volcanoes and Ferrari https://iris.unimore.it/bitstream/11380/1067632/1/2015Sciarraetal.GFTsalse.pdf
[32] Sulfidic Habitats in the Gypsum Karst System of Monte Conca (Italy) Host a Chemoautotrophically Supported Invertebrate Community https://www.mdpi.com/1660-4601/19/5/2671/pdf
[33] Potential Fossilized Sulfide-Oxidizing Bacteria in the Upper Miocene Sulfur-Bearing Limestones From the Lorca Basin (SE Spain): Paleoenvironmental Implications https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2019.01031/pdf
[34] L’applicazione di tecniche innovative nel monitoraggio costiero degli habitat prioritari https://fupress.com/redir.ashx?RetUrl=14825.pdf
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[36] 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
[37] A Frasassi uno Studio sulla Diluizione delle acque sotterranee e … https://www.scintilena.com/a-frasassi-uno-studio-sulla-diluizione-delle-acque-sotterranee-e-condizioni-di-flusso-nelle-grotte-di-acido-solforico/12/17/
[38] [PDF] Raccolta Luglio 2023 – Scintilena https://www.scintilena.com/wp-content/uploads/2023/08/2023_07_Raccolta_Scintilena_Luglio.pdf
[39] Grotta Sudatoria: esplorazione subacquea della risorgenza https://www.scintilena.com/acquasanta-terme-ap-grotta-sudatoria-esplorazione-subacquea-della-risorgenza/12/29/
[40] Acqua e Grotte Inquinate: Un Incontro per la Settimana del … https://www.scintilena.com/acqua-e-grotte-inquinate-un-incontro-per-la-settimana-del-pianeta-terra/10/11/
[41] 99 cose che non sai sulle grotte sulfuree https://www.scintilena.com/99-cose-che-non-sai-sulle-grotte-sulfuree/02/05/
[42] Scintilena – Notiziario di speleologia e del sottosuolo – Scintilena https://www.scintilena.com/category/0/page/20/?wpmp_switcher=mobile
[43] Protisti ciliati nell’ecosistema della Grotta di Frasassi – Scintilena https://www.scintilena.com/protisti-ciliati-nellecosistema-della-grotta-di-frasassi/02/22/
[44] Grotta delle Stalattiti: esplorazione subacquea 2° sifone https://www.scintilena.com/acquasanta-terme-ap-grotta-delle-stalattiti-esplorazione-subacquea-2-sifone/11/27/
[45] Esplorazioni a Frasassi: Congiunzione Grotta del Fiume https://www.scintilena.com/esplorazioni-a-frasassi-congiunzione-grotta-del-fiume-grotta-bella-favorisce-laccesso-degli-studiosi-alla-caverna-delle-meraviglie/04/19/
[46] Corsi Archivi – Pagina 2 di 28 – Scintilena https://www.scintilena.com/category/corsi/page/2/
[47] Sotto l’Appennino un “autostrada” di acque calde e salate – Scintilena https://www.scintilena.com/sotto-lappennino-un-autostrada-di-acque-calde-e-salate-la-ricerca-che-svela-il-lato-invisibile-delle-sorgenti-termali/01/25/
[48] Le Ultime Esplorazioni Speleosubacquee del Complesso … https://www.scintilena.com/le-esplorazioni-speleosubacquee-del-complesso-di-frasassi-2025-nuove-frontiere-del-sistema-carsico-marchigiano/09/05/
[49] Turismo sostenibile e conservazione delle grotte: un nuovo modello … https://www.scintilena.com/turismo-sostenibile-e-conservazione-delle-grotte-un-nuovo-modello-di-analisi/02/10/