I microbi che producono ossigeno nel buio delle profondità marine anossiche

Archaea unicellulari potrebbero rimettere in discussione la nostra attuale comprensione del ciclo dei nutrienti negli oceani

[14 Gennaio 2022]

L’ossigeno è vitale per la vita sulla Terra ed è prodotto principalmente da piante, alghe e cianobatteri tramite la fotosintesi. È noto che alcuni microbi producono ossigeno senza luce solare, ma finora sono stati scoperti solo in quantità molto limitate e in habitat molto specifici. Ma il nuovo studio “Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon”, pubblicato su Science da un team di ricercatori danesi e tedeschi, rivela una sorprendente scoperta: «L’ossigeno viene prodotto anche senza luce solare, forse in profondità al di sotto della superficie dell’oceano».

Alla Syddansk Universitet ricordano che «Nelle acque profonde e scure dell’oceano c’è molto di più di quanto si possa pensare: un numero incalcolabile di microrganismi invisibili svolge la propria vita quotidiana nelle colonne d’acqua». E ora i ricercatori hanno scoperto che alcuni di loro, come l’archea  Nitrosopumilus maritimus e nei suoi cugini producono ossigeno in un modo inaspettato.

Si tratta di un percorso biologico precedentemente sconosciuto che consente a un tipo diffuso di archeo oceanico di rilasciare sia ossigeno che azoto nell’oscurità: è la prima volta che un fenomeno del genere è stato osservato in natura in un ambiente anossico. Il processo, i cui dettagli non sono ancora del tutto chiari, potrebbe trasformare la comprensione da parte degli scienziati del ciclo dei nutrienti chiave negli oceani.

La principale autrice dello studio la biologa danese Beate Kraft della Syddansk Universitet, spiega che «Questi ragazzi sono davvero abbondanti negli oceani, dove svolgono un ruolo importante nel ciclo dell’azoto. Per questo hanno bisogno di ossigeno, quindi erano un enigma di vecchia data perché sono anche molto abbondanti nelle acque dove non c’è ossigeno. Ci siamo chiesti: “restano fermi lì senza alcuna funzione? Sono una specie di cellule fantasma?”»

Ma, come sottolinea un altro autore dello studio, il geochimico Donald Canfield della  della Syddansk Universitet  e del Research Institute of Petroleum Exploration and Development della China National Petroleum Corporatio,  in tutto questo c’era qualcosa di sconcertante: «Questi microbi sono così comuni che ogni quinta cellula in un secchio di acqua di mare è uno di loro».

I ricercatori si sono incuriositi e si sono chiesti se dopotutto questi Archea potrebbero avere una funzione nell’acqua anossica e la Kraft ha deciso di testare i Nitrosopumilus maritimus   in laboratorio: « Volevamo vedere cosa sarebbe successo se avessero esaurito l’ossigeno, come se la cavano quando si spostano dalle acque ricche di ossigeno alle acque impoverite. Sopravvivono?»

Canfield racconta cosa è successo: «Abbiamo visto come hanno consumato tutto l’ossigeno nell’acqua e poi, con nostra sorpresa, in pochi minuti, i livelli di ossigeno hanno ricominciato ad aumentare. È stato molto eccitante».

Il Nitrosopumilus maritimus si è rivelato in grado di produrre ossigeno in un ambiente buio. Non molto, non abbastanza da influenzare i livelli di ossigeno sulla Terra, ma abbastanza per sopravvivere. La Kraf spiega ancora: « Se producono un po’ più di ossigeno di quello di cui hanno bisogno, verrà rapidamente assorbito da altri organismi nelle loro vicinanze, quindi questo ossigeno non lascerebbe mai l’oceano».

Ma che effetto hanno sull’ambiente in cui vivono questi microbi produttori di ossigeno estremamente abbondanti? I ricercatori sapevano già che gli archaea che ossidano  l’ammoniaca sono microrganismi che mantengono attivo il ciclo globale dell’azoto, ma non erano consapevoli della portata delle loro capacità. Qullo che hanno scoperto è che Nitrosopumilus maritimus unisce la produzione di ossigeno alla produzione di azoto gassoso ed è così che rimuovono l’azoto biodisponibile dall’ambiente.

I ricercatori stanno ora studiando se anche altri archaea ossidanti l’ammoniaca possono utilizzare lo stesso trucco per crescere in condizioni anossiche. Se fosse così. questo potrebbe trasformare la comprensione da parte della comunità scientifica della fertilità oceanica in un clima sempre più caldo. «Se avremo più deossigenazione degli oceani, avremo più perdite di N2?», si chiede Canfield.

La Kraft fa notare che « Se questo stile di vita è diffuso negli oceani, ci costringe sicuramente a ripensare alla nostra attuale comprensione del ciclo dell’azoto marino. Il mio prossimo passo sarà quello indagare sul fenomeno che abbiamo visto nelle nostre colture di laboratorio in acque povere di ossigeno in vari punti oceanici in tutto il mondo».

Il suo team di ricerca ha già prelevato campioni nel fiordo di Mariager in Danimarca, e la prossima tappa sono le acque al largo del Messico e del Costa Rica.