Individuato nei sedimenti solfurei delle Grotte di Frasassi un autotrofo in grado di trasformare lo zolfo elementare, con implicazioni per la speleologia e la microbiologia del Carso.
Nel 2023 è stato descritto un nuovo batterio isolato nei sedimenti solfurei delle Grotte di Frasassi, nelle Marche, chiamato Thiovibrio frasassiensis, appartenente a un nuovo genere e inserito in una nuova famiglia proposta, Thiovibrionaceae, all’interno dell’ordine Desulfobulbales[1].
Questo microrganismo vive senza ossigeno e si nutre in modo autotrofo, cioè ricava il carbonio dalla CO2, utilizzando reazioni chimiche legate allo zolfo[1]. In particolare, è capace di “disproporzionare” zolfo elementare e tiosolfato, trasformandoli in forme diverse, e può usare l’idrogeno come donatore di elettroni con vari accettori tra cui zolfo elementare, solfato, tiosolfato, nitrato e ferro ferrico; non utilizza ossigeno né solfuro come donatore[1]. Cresce meglio a pH vicino alla neutralità e a circa 30°C, in acque con salinità bassa[1].
Le analisi genetiche mostrano che è abbastanza distante dai parenti più prossimi, confermando che si tratta di un nuovo genere e giustificando la proposta della nuova famiglia tassonomica[1]. Il ceppo tipo è stato depositato in due collezioni internazionali (DSMZ e ATCC), così da renderlo accessibile per ulteriori studi[1].
La scoperta è rilevante perché aiuta a capire come funzionano i cicli dello zolfo in ambienti carsici ricchi di composti solforati come Frasassi, dove la microbiologia contribuisce a modellare la chimica delle acque e, indirettamente, i processi geologici sotterranei[1]. Questa conoscenza può avere applicazioni in ricerca ambientale e in biotecnologia, per esempio nello studio di processi di trasformazione dello zolfo o in scenari di biorisanamento[1].
Identificazione del batterio nelle Grotte di Frasassi
Nei sedimenti ricchi di zolfo delle Grotte di Frasassi è stato isolato un nuovo microorganismo, denominato Thiovibrio frasassiensis.
La scoperta è avvenuta grazie ad analisi condotte su campioni prelevati dal fondo di un corso d’acqua sulfurea all’interno del sistema carsico.
Thiovibrio frasassiensis è stato riconosciuto come specie e genere insoliti per le sue proprietà chimolitotrofe e per la capacità di disporre zolfo elementare.
Caratteristiche fisiologiche e metabolismo
Lo studio ha evidenziato che Thiovibrio frasassiensis cresce in condizioni anaerobiche sfruttando la disproportionazione dello zolfo elementare (S?) e del tiosolfato.
Il ceppo RS19-109T utilizza bicarbonato/CO? come fonte di carbonio e idrogeno molecolare come donatore di elettroni.
Tra gli accettori di elettroni figurano zolfo elementare, solfato, tiosolfato, nitrato e ferro ferrico.
Non impiega ossigeno né utilizza solfuro come donatore e mostra una crescita ottimale a pH 7.0 e 30 °C.
Impatto sul contesto carsico e speleologico
La presenza di Thiovibrio frasassiensis nei sedimenti solfurei delle grotte offre nuovi spunti per la speleologia chimica del Carso.
Questo batterio contribuisce ai cicli del zolfo all’interno dei sistemi ipogei, modulando la formazione di concrezioni e influenzando la chimica delle acque sotterranee.
Comprendere il ruolo di Thiovibrio frasassiensis permette di valutare processi di alterazione e di bioconservazione delle strutture carsiche.
Analisi genetica e collocazione tassonomica
La distanza filogenetica di Thiovibrio frasassiensis dal suo più vicino parente, Desulfurivibrio alkaliphilus, è risultata del 10,8% sulla base del gene 16S rRNA.
L’identità nucleotidica media (ANI) e aminoacidica media (AAI) hanno confermato l’autonomia di genere.
Si è così proposto il nuovo genere Thiovibrio e, all’interno dell’ordine Desulfobulbales, la famiglia Thiovibrionaceae per accoglierlo ufficialmente.
Applicazioni future per la microbiologia carsica
La scoperta di Thiovibrio frasassiensis potrebbe aprire scenari per lo studio di biotecnologie legate al ciclo del zolfo e a processi di biorisanamento nei sedimenti contaminati.
Nella speleologia di ricerca, l’identificazione di questo batterio offre un modello per studiare comunità microbiche autoctone capaci di sopravvivere in ambienti poveri di ossigeno e ricchi di composti solforati.
Deposizione nei collezioni di riferimento
Il ceppo RS19-109T di Thiovibrio frasassiensis è stato depositato presso la DSMZ–German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSM 115074 T) e l’ATCC (ATCC TSD-325 T). Queste risorse garantiranno l’accesso alla comunità scientifica per ulteriori studi sulla biologia e sulle potenziali applicazioni del nuovo batterio.
In conclusione, Thiovibrio frasassiensis si presenta come un tassello importante per la comprensione dei processi geochimici nel Carso, con un contributo significativo all’avanzamento della ricerca speleologica e microbiologica.
Glossario su Thiovibrio frasassiensis e microbiologia dello zolfo in ambienti carsici
- Thiovibrio frasassiensis: nuovo batterio isolato nei sedimenti solfurei delle Grotte di Frasassi, descritto come genere e specie nuovi, proposto all’interno della nuova famiglia Thiovibrionaceae[1].
- Famiglia Thiovibrionaceae: nuova famiglia proposta per includere Thiovibrio nell’ordine Desulfobulbales, sulla base di caratteristiche fisiologiche e genomiche distintive[1].
- Ceppo tipo (type strain): il campione di riferimento ufficiale per una specie appena descritta; per T. frasassiensis è il ceppo RS19-109T, depositato in collezioni internazionali[1].
- RS19-109T: identificativo del ceppo tipo di Thiovibrio frasassiensis, utilizzato negli studi fisiologici, genomici e tassonomici[1].
- Grotte di Frasassi: complesso carsico delle Marche con corsi d’acqua solfurei e biofilm ricchi di batteri del ciclo dello zolfo, contesto di isolamento di T. frasassiensis[1][2].
- Ambiente carsico solfureo: ecosistema sotterraneo in cui acque ricche di solfuro e zolfo interagiscono con roccia e aria di grotta, favorendo comunità microbiche chemioautotrofe legate al ciclo dello zolfo[2][3].
- Anaerobio: organismo o processo che avviene in assenza di ossigeno; T. frasassiensis cresce in condizioni anaerobiche[1].
- Chemolitotrofo / Chemioautotrofo: microrganismo che ricava energia dall’ossidazione di composti inorganici (per esempio zolfo o idrogeno) e fissa CO2 come fonte di carbonio[1][4].
- Autotrofia: capacità di sintetizzare composti organici dalla CO2 come unica fonte di carbonio, usando energia chimica o luminosa; T. frasassiensis è autotrofo[1].
- Disproporzione dello zolfo (S0): reazione in cui un composto come lo zolfo elementare viene contemporaneamente ossidato e ridotto, producendo forme diverse (es. solfato e solfuro) a seconda delle vie metaboliche[1][5].
- Zolfo elementare (S0): forma ciclica o polimerica di zolfo a stato di ossidazione 0, abbondante in molti ambienti di grotta e spesso precipitato da attività microbica[3].
- Tiosolfato: anione dello zolfo (S2O3)2? usato da alcuni batteri come substrato energetico; T. frasassiensis ne supporta la disproporzione[1].
- Solfito: anione (SO3)2? talvolta coinvolto nel metabolismo dello zolfo; T. frasassiensis non ne ha mostrato disproporzione in condizioni testate[1].
- Solfato: anione (SO4)2?, prodotto comune dell’ossidazione dello zolfo; può fungere da accettore di elettroni in vari batteri del ciclo dello zolfo[1][5].
- Solfuro: specie ridotta dello zolfo (es. H2S/HS?); in molte grotte è rilasciato dalle acque e può essere ossidato da batteri solfuro-ossidanti[3][4].
- Donatore di elettroni: composto che fornisce elettroni in una reazione redox biologica; per T. frasassiensis può essere l’idrogeno molecolare[1].
- Accettore di elettroni: composto che riceve elettroni in una reazione redox; per T. frasassiensis includono S0, solfato, tiosolfato, nitrato e ferro(III)[1].
- Idrogeno molecolare (H2): gas usato come donatore di elettroni in diversi metabolismi chemioautotrofi; supporta la crescita autotrofa di T. frasassiensis[1].
- Ferro ferrico (Fe(III)): forma ossidata del ferro che può agire da accettore di elettroni in alcuni batteri; incluso tra gli accettori utilizzabili da T. frasassiensis[1].
- Desulfobulbales: ordine batterico che comprende specie coinvolte nella riduzione del solfato e nella disproporzione dello zolfo; sede proposta per la famiglia Thiovibrionaceae[1][5].
- 16S rRNA: gene marcatore usato per la filogenesi batterica; T. frasassiensis mostra bassa similarità 16S con il parente più vicino, indicando un nuovo genere[1].
- ANI/AAI/DDH in silico: metriche genomiche (Average Nucleotide Identity, Average Amino Acid Identity, DNA–DNA Hybridization) per definire confini tassonomici tra specie e generi[1].
- Biofilm: comunità microbica aderente a superfici, immersa in matrice extracellulare; nelle grotte solfuree ospita cladi batterici del ciclo dello zolfo[2][3].
- Epsilonproteobacteria/Sulfurivibrionaceae (sensu lato): gruppi spesso dominanti nei biofilm di grotte solfuree, coinvolti in ossidazione parziale del solfuro e formazione di zolfo elementare[3].
- Comunità del ciclo dello zolfo: insieme di microrganismi che riducono, ossidano o disproporzionano specie dello zolfo, regolando trasformazioni tra solfuro, zolfo elementare, tiosolfato e solfato[2][4][5].
- pH ottimale: intervallo di acidità/alcalinità per la crescita microbica; T. frasassiensis cresce tra pH 5,5–7,5 con optimum vicino a 7[1].
- Temperatura ottimale: valore di temperatura che massimizza la crescita; per T. frasassiensis è circa 30°C, in un intervallo mesofilo[1].
- Salinità: concentrazione di sali disciolti; T. frasassiensis cresce in condizioni a bassa salinità, fino a circa 1,7% NaCl[1].
- Nitrato: anione (NO3?) usato come accettore di elettroni da vari batteri chemioautotrofi in assenza di ossigeno[1][4].
- Ossidazione incompleta del solfuro: via metabolica che porta a prodotti intermedi come S0 anziché a solfato; comune in comunità di grotta e legata alla precipitazione di zolfo elementare[3].
- Chemoautotrofia in grotta: fissazione del carbonio atmosferico disciolto (CO2) tramite energia chimica da composti ridotti come H2 o H2S, fondamentale in ecosistemi sotterranei privi di luce[3][6].
- Comunità anaerobiche fredde: sistemi microbici in ambienti freddi e anossici dominati da cicli dello zolfo, utili come analoghi per studi astrobiologici[4].
Fonti
[1] Thiovibrio frasassiensis gen. nov., sp. nov., an autotrophic, elemental sulfur disproportionating bacterium isolated from sulfidic karst sediment, and proposal of Thiovibrionaceae fam. nov. http://biorxiv.org/lookup/doi/10.1101/2022.10.27.514068
[2] Dominant Microbial Populations in Limestone-Corroding Stream Biofilms, Frasassi Cave System, Italy https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC1538711/
[3] Metagenomic insights into S(0) precipitation in a terrestrial subsurface lithoautotrophic ecosystem https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4288042/
[4] Sulfur-cycling chemolithoautotrophic microbial community dominates a cold, anoxic, hypersaline Arctic spring https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10494364/
[5] Expanded Genomic Sampling Refines Current Understanding of the Distribution and Evolution of Sulfur Metabolisms in the Desulfobulbales https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8170396/
[6] Competition-cooperation in the chemoautotrophic ecosystem of Movile Cave: first metagenomic approach on sediments https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9386943/
[7] Bacterial Communities from the Copper Mine of Wettelrode (Germany) https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11856635/
[8] Microbial Ecology of Sulfur Biogeochemical Cycling at a Mesothermal Hot Spring Atop Northern Himalayas, India https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9044081/
[9] Microbial Ecology of Sulfur Biogeochemical Cycling at a Mesothermal Hot Spring Atop Northern Himalayas, India https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2022.848010/pdf
[10] The potential for coupled organic and inorganic sulfur cycles across the terrestrial deep subsurface biosphere https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12019592/
[11] Toward an intensive understanding of sewer sediment prokaryotic community assembly and function https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2023.1327523/full
[12] Active anaerobic methane oxidation and sulfur disproportionation in the deep terrestrial subsurface https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9123182/
[13] Sulfur and methane oxidation by a single microorganism https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9371685/
[14] pH and thiosulfate dependent microbial sulfur oxidation strategies across diverse environments https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2024.1426584/full
[15] Exploring the Bacteriome Diversity and Use as a Proxy for Climate Change and Human Impacts on Groundwater in Temperate and Tropical Countries https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11926030/
[16] Metagenomic insights into S(0) precipitation in a terrestrial subsurface lithoautotrophic ecosystem https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2014.00756/pdf
[17] Repeatedly Evolved Host-Specific Ectosymbioses between Sulfur-Oxidizing Bacteria and Amphipods Living in a Cave Ecosystem https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3510229/
[18] Novel Microorganisms Contribute to Biosulfidogenesis in the Deep Layer of an Acidic Pit Lake https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9326234/
[19] PRODUCTS OF THE OXIDATION OF THIOSULFATE BY BACTERIA IN MINERAL MEDIA https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2141358/
[20] Microbial carbon, sulfur, iron, and nitrogen cycling linked to the potential remediation of a meromictic acidic pit lake https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9666448/
Fonti
https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/ijsem/10.1099/ijsem.0.006003
Fonti
[1] Validation List no. 217. Valid publication of new names and new combinations effectively published outside the IJSEM https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11165881/
[2] Shaping microbiology for 75 years: highlights of research published in Microbiology. Part 2 – Communities and evolution https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/micro/10.1099/mic.0.001357
[3] A Putative Lipoprotein Mediates Cell-Cell Contact for Type VI Secretion System-Dependent Killing of Specific Competitors https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9040878/
[4] Notification that new names of prokaryotes, new combinations and new taxonomic opinions have appeared in volume 75, part 1 of the IJSEM https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/ijsem/10.1099/ijsem.0.006689
[5] Microbiota and functional analyses of nitrogen-fixing bacteria in root-knot nematode parasitism of plants https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9999639/
[6] Stochastic Dispersal Rather Than Deterministic Selection Explains the Spatio-Temporal Distribution of Soil Bacteria in a Temperate Grassland https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7338559/
[7] Connecting the multiple dimensions of global soil fungal diversity https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10686567/
[8] Notification that new names of prokaryotes, new combinations and new taxonomic opinions have appeared in volume 74, part 11 of the IJSEM https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/ijsem/10.1099/ijsem.0.006619
[9] Notification that new names of prokaryotes, new combinations, and new taxonomic opinions have appeared in volume 74, part 6 of the IJSEM https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11444282/
[10] Species’ functional traits and interactions drive nitrate-mediated sulfur-oxidizing community structure and functioning https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10653917/
[11] Comparative genomics of a vertically transmitted thiotrophic bacterial ectosymbiont and its close free?living relative https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1111/1755-0998.13889
[12] Altered growth and death in dilution-based viral predation assays https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10328242/
[13] Update on Novel Taxa and Revised Taxonomic Status of Bacteria Isolated from Nondomestic Animals Described in 2018 to 2021 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9945507/
[14] Genome reduction and horizontal gene transfer in the evolution of Endomicrobia—rise and fall of an intracellular symbiosis with termite gut flagellates https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11257099/
[15] Characterization of Terrihabitans soli gen. nov., sp. nov., a Novel 0.2 ?m-Filterable Soil Bacterium Belonging to a Widely Distributed Lineage of Hyphomicrobiales (Rhizobiales) https://www.mdpi.com/1424-2818/13/9/422/pdf
[16] Diversity of Thiosulfate-Oxidizing Bacteria from Marine Sediments and Hydrothermal Vents https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC92124/
[17] Microbial hitchhikers harbouring antimicrobial-resistance genes in the riverine plastisphere https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10619285/
[18] Correction to 29 articles due to inaccurate manuscript submission dates https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11842971/
[19] Bacterial, Phytoplankton, and Viral Distributions and Their Biogeochemical Contexts in Meromictic Lake Cadagno Offer Insights into the Proterozoic Ocean Microbial Loop https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9426590/
[20] Author Correction: Soil microbiome indicators can predict crop growth response to large-scale inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11153126/