Scoperte microbiologiche nel ciclo dello zolfo del sistema carsico sulfidico di Frasassi

Immagine di copertina generata con AI

Introduzione al sistema carsico di Frasassi e al ciclo dello zolfo

Il sistema carsico di Frasassi, in Italia, è celebre per la speleogenesi indotta da acido solforico.

Qui un’acquifero ricco di solfuri si mescola con acque meteoritiche ossigenate, creando un ambiente microossico favorevole al ciclo dello zolfo.

Questo processo prende avvio dalla reazione di ossidazione del solfuro disciolto con ossigeno, che genera acido solforico e favorisce la dissoluzione del carbonato di calcio.

La ricerca di Aronson et al. (2023) ha esaminato gli organismi capaci di utilizzare lo zolfo elementare (S0), prodotto in abbondanza in queste condizioni, chiarendo il ruolo del ciclo del zolfo nel modellamento delle grotte.

Microbiologia del ciclo dello zolfo: i protagonisti nel sistema carsico sulfidico

Sedimenti dominati da batteri dello zolfo

Nel sedimento sotto le colonie di Beggiatoa, i microrganismi del ciclo del zolfo più abbondanti appartengono ai generi Sulfurovum, Halothiobacillus, Thiofaba, Thiovirga e Thiobacillus. Questi batteri autotrofi utilizzano lo zolfo come fonte di energia.

Disproporzione dello zolfo elementare nei sedimenti

Le analisi di sequenziamento del 16S rRNA mostrano che Desulfocapsa e Sulfurovum rappresentano dal 12% al 26% della comunità microbica del sedimento.

Questi generi praticano la disproporzione dello zolfo elementare, trasformando S0 in solfato e solfuro, chiudendo il ciclo del zolfo.

Aspetti geochimici del ciclo del zolfo nel sistema carsico

Energia e reazioni nel ciclo del zolfo

I calcoli dell’energia libera (?Gr) indicano che la disproporzione dello zolfo elementare è energeticamente favorevole in situ.

Ciò conferma che il ciclo del zolfo non dipende esclusivamente dall’ossidazione del solfuro, ma include importanti tappe di trasformazione biologica di S0.

Profilo di pH e ossigeno nel sistema carsico sulfidico

Le sonde microsensori posizionate attraverso l’interfaccia mat-sedimento rivelano che i mats di Beggiatoa consumano ossigeno e solfuro disciolto.

L’acidificazione netta si osserva però solo nei sedimenti sottostanti, suggerendo un collegamento diretto tra disproporzione dello zolfo e alterazione chimica delle rocce carbonatiche.

Implicazioni per la speleogenesi e il paesaggio sotterraneo

Speleogenesi solforica e ciclo del zolfo

La disproporzione microbica dello zolfo elementare contribuisce al mantenimento di un pool di acido solforico nel sistema.

Questo influenza la speleogenesi solforica, accelerando la corrosione delle rocce calcaree e la formazione di gesso.

Impatto ecologico e geoformativo

La presenza di comunità capaci di completare il ciclo del zolfo crea un ecosistema chemolitotrofo autosufficiente.

Questi microrganismi guidano la dinamica chimica del sistema carsico, contribuendo alla formazione continua delle grotte di Frasassi.

Conclusioni sul ciclo del zolfo nel sistema carsico di Frasassi

Lo studio evidenzia che il ciclo del zolfo in ambienti solfurei microossici include anche la disproporzione di zolfo elementare.

Questo processo microbiologico è una via energetica significativa e supporta la speleogenesi solforica.

I risultati ampliano la comprensione del ciclo del zolfo in sistemi carsici attivi, offrendo spunti per studi futuri su ambienti analoghi e le loro comunità batteriche.

Glossario sul “sistema carsico sulfidico” e “ciclo del zolfo”

Termini chiave del sistema carsico sulfidico

• Sistema carsico sulfidico: ambiente di grotta in cui circolano acque ricche di solfuro di idrogeno; qui si sviluppa il ciclo del zolfo e processi di corrosione delle rocce carbonatiche per via chimica e microbica. La parola chiave sistema carsico sulfidico è centrale per comprendere il contesto.
• Speleogenesi da acido solforico (SAS): formazione e modifica di grotte dovuta alla produzione di acido solforico a partire dall’ossidazione del solfuro; accelera la dissoluzione di calcari e la formazione di gesso. Collegata al sistema carsico sulfidico.
• Frasassi (sistema carsico di Frasassi): complesso di grotte nelle Marche noto per condizioni microossiche e acque sulfidiche, modello naturale per studiare il ciclo del zolfo in un sistema carsico sulfidico.

Concetti del ciclo dello zolfo

• Ciclo dello zolfo: insieme dei processi chimici e biologici che trasformano lo zolfo tra specie ridotte e ossidate in ambiente naturale; nei sistemi carsici sulfidici include ossidazione del solfuro, accumulo di zolfo elementare e disproporzione.
• Zolfo elementare (S0): forma solida di zolfo che si accumula come prodotto intermedio tra solfuro e solfato; substrato per batteri che effettuano disproporzione nel ciclo del zolfo.
• Solfuro di idrogeno (H2S): specie ridotta e volatile del ciclo del zolfo, abbondante nelle acque del sistema carsico sulfidico; può degassare verso la grotta e reagire con l’ossigeno.
• Solfato (SO4²?): forma ossidata dello zolfo, prodotto finale dell’ossidazione del solfuro o della disproporzione di S0; contribuisce all’acidità delle acque.
• Disproporzione dello zolfo: processo microbico in cui lo zolfo elementare viene simultaneamente ossidato a solfato e ridotto a solfuro; è energeticamente favorevole in condizioni microossiche e rappresenta una via rilevante del ciclo del zolfo.

Microbi e biofilm

• Beggiatoa: batteri filamentosi chemioautotrofi che ossidano solfuro in presenza di ossigeno e depositano zolfo elementare nei loro filamenti; formano biofilm bianchi in acque sulfidiche del sistema carsico sulfidico.
• Desulfocapsa: batteri in grado di disproporre zolfo elementare, talvolta autotrofi; spesso abbondanti nei sedimenti sotto i biofilm, con ruolo cruciale nel ciclo del zolfo.
• Sulfurovum: chemioautotrofi microaerofili o anaerobi facoltativi che possono utilizzare composti ridotti dello zolfo; alcune specie sono associate alla disproporzione di S0.
• Halothiobacillus, Thiofaba, Thiovirga, Thiobacillus: generi di batteri solfo-ossidanti che partecipano all’ossidazione di H2S, S0 o tiosolfato, influenzando la chimica del ciclo del zolfo.

Geochimica e microambienti

• Microossico: ambiente con basse concentrazioni di ossigeno disciolto; condizione tipica a interfaccia acqua-aria e sotto i biofilm nel sistema carsico sulfidico.
• Mat microbico/biofilm: aggregato di cellule e matrice extracellulare che forma tappeti su superfici sommerse; nei sistemi carsici sulfidici i mat di Beggiatoa consumano ossigeno e solfuro, creando gradienti chimici.
• Gradiente redox: variazione spaziale del potenziale di ossidoriduzione; regola quali vie del ciclo del zolfo sono termodinamicamente possibili.
• ?Gr (energia libera di Gibbs di reazione): misura della spontaneità energetica di una reazione in condizioni in situ; valori negativi indicano che la disproporzione di S0 può fornire energia ai microbi.
• Acidificazione dei sedimenti: diminuzione del pH osservata sotto i biofilm, legata a processi del ciclo del zolfo come la formazione di solfato e acido solforico, con effetti sulla dissoluzione delle rocce.

Idrologia e mineralogia carsica

• Acquifero sulfidico: falda anossica ricca di H2S che alimenta la grotta; nel sistema carsico sulfidico interagisce con acque meteoritiche ossigenate.
• Acque meteoritiche: acque di infiltrazione ricche di ossigeno provenienti dalla superficie; innescano l’ossidazione del solfuro e le reazioni del ciclo del zolfo.
• Gesso (CaSO4·2H2O): minerale che si forma per reazione tra acido solforico e carbonato di calcio; evidenza mineralogica della speleogenesi nel sistema carsico sulfidico.
• Corrosione carbonatica: dissoluzione di calcite o dolomite per azione acida; accelerata in presenza di H2SO4 prodotto dai processi del ciclo del zolfo.

Metodi e analisi

• Sequenziamento 16S rRNA: tecnica per caratterizzare la comunità microbica; consente di stimare l’abbondanza relativa di taxa coinvolti nel ciclo del zolfo.
• Microsensori (O2, H2S, pH): sonde che misurano profili verticali di concentrazione attraverso i mat; rivelano consumi di ossigeno e solfuro e zone di acidificazione.
• Termodinamica ambientale: approccio che calcola ?Gr delle reazioni del ciclo del zolfo usando condizioni in situ; utile per valutare la fattibilità delle vie metaboliche.

Collegamenti concettuali

• Ecosistema chemioautotrofo: comunità microbiche che fissano carbonio usando energia chimica proveniente dal ciclo del zolfo; tipico dei sistemi carsici sulfidici.
• Sorgenti Proterozoiche analoghe: condizioni moderne che ricordano ambienti antichi poveri di ossigeno, dove il ciclo del zolfo dominava; contesto interpretativo per Frasassi.
• Alterazione e modellamento carsico: insieme dei processi che modificano le forme di grotta; nel sistema carsico sulfidico l’alternanza di ossidazione, disproporzione e riduzione di zolfo guida la dinamica.

Parole chiave: ciclo dello zolfo, sistema carsico, speleogenesi solforica, Frasassi.

Fonti
[1] gbi. https://doi.org/10.1111/gbi.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gbi.12574