Negli ultimi tempi lo studio delle alghe ha assunto un ruolo sempre più importante. L’analisi del loro ciclo vitale e dei loro pigmenti ha condotto a svariate scoperte. Ad oggi, queste risultano essere davvero interessanti sotto diversi punti di vista, da quello farmacologico a quello estetico, da quello alimentare a quello ambientale.
Tra i generi che più richiamano l’attenzione dei ricercatori ci sono le Galdieriaceae e tra queste non passa inosservata Galdieria phlegrea.
Le Galdieriaceae sono un genere d’alghe rosse ed appartengono alla famiglia delle Cyanidiales. Questi organismi sono ampiamente distribuiti sulla superficie terrestre. A tal proposito i ricercatori hanno scoperto che esse prosperano non solo in acque termali, ma anche su rocce e terreni fangosi, attorno a pozze calde e lungo i corsi d’acqua. La temperatura ottimale per la loro crescita si aggira intorno ai 55–56°C. L’intervallo di pH al quale crescono è compreso tra 0,05 e 5, con l’optimum a pH 2-3.
Le caratteristiche dell’alga
Galdieria phlegrea è un’alga rossa termo-acidofila, autoctona del sistema idrotermale di Pisciarelli, ai margini del cratere della Solfatara nella zona dei Campi Flegrei, Napoli. L’alga è stata individuata nelle fessure delle pareti rocciose. Qui la luce è quasi assente, la temperatura è compresa tra 35 e 55°C e il pH è compreso tra 0,5 e 1,5; per questo motivo la sua definizione è di alga cripto-endolitica. Questo conferisce all’organismo una caratteristica di rilievo: esso può sopravvivere anche in eterotrofia.
Ma come avviene esattamente il riconoscimento di Galdieria phlegrea? Il ceppo di Galdieria è diviso nei cladi Galdieria A (G. sulphuraria, G. daedala e G. partita) e Galdieria B (G. phlegrea). Galdieria A include ceppi provenienti dalle più disparate località di tutto il mondo. Galdieria B è costituita da taxa provenienti da habitat aridi ed endolitici prevalentemente italiani. Questi due cladi non hanno caratteristiche morfologiche distintive, ma sembrano differire rispetto all’eco-fisiologia. Galdieria B ha un tasso di crescita massimo a una temperatura più bassa, ossia di 25°C. In aggiunta, essa presenta un valore più basso del tasso fotosintetico, rispetto ad altre Galdieriaceae. Questo suggerisce che i membri di questo clade si adattino, per l’appunto, alla condizione di buio.
Essa ha una forma pressoché sferica e cresce di norma consumando ammonio. Al contrario, le sue parenti più prossime sono in grado di usare l’azoto sotto forma sia di nitrato che di ammonio. Riescono, poi, a crescere in condizioni di elevate concentrazioni saline.
La capacità di G. phlegrea di crescere in eterotrofia su uno spettro unico di substrati e la sua preferenza per pH estremamente bassi, crea apparentemente una nicchia ecologica non accessibile ad altre alghe.
Le scoperte più interessanti su G. phlegrea
Le analisi di questo ceppo d’alga rossa hanno indotto a scoprirne sempre di più a riguardo. Ad esempio, ad oggi, è noto che l’assenza di zolfo per G. phlegrea, che cresce in autotrofia, comporta una diminuzione del contenuto proteico solubile e una diminuzione significativa dei livelli intracellulari di glutatione. Per questo motivo possiamo ben intuire quanto sia utile la presenza di zolfo negli ambienti in cui vivono queste alghe. In aggiunta, questi organismi sono in grado di vivere in condizioni di mixotrofia. Infatti, G. phlegrea può crescere in condizioni di luce ed in presenza di glicerolo, il quale è usato per crescere principalmente le alghe in eterotrofia.
Inoltre, se fino ad ora si riteneva che la principale fonte di produzione di ficocianine fosse il cianobatterio termofilo Spirulina platensis, attualmente quest’asserzione potrebbe cambiare.
Infatti, recentemente è stata caratterizzata la C-ficocianina in due ceppi di G. phlegrea, in condizioni autotrofi ed eterotrofi. I risultati hanno mostrato quanto la C-ficocianina possa essere altamente termoresistente. Queste analisi sono fondamentali in quanto tali pigmenti sono attualmente molto utilizzati per vari scopi applicativi. E proprio a proposito di scopi applicativi, una delle analisi più recenti riguarda, invece, il loro bioaccumulo di prodotti di scarto provenienti dalle tecnologie di illuminazione. Infatti, G. phlegrea accumula elementi delle terre rare, REE, che fanno proprio parte dei rifiuti che hanno la funzione di incrementare l’inquinamento determinato da sorgenti di luce artificiale.
Cosa accade se l’alga cresce in assenza di zolfo?
Da ciò che ci siamo detti sino ad ora, abbiamo capito che G. phlegrea cresce in ambienti ricchi di zolfo, per cui questo elemento costituisce sicuramente una delle sue priorità. Cosa succede, quindi, nel caso in cui l’alga non ne abbia a disposizione? Il gruppo della Professoressa Carfagna del Dipartimento di Biologia, dell’Università di Napoli Federico II ha fatto delle analisi a tal proposito ed ha scoperto che a risentirne maggiormente di questa mancanza sono le alghe cresciute in autotrofia. In una condizione del genere, si verificano una diminuzione del contenuto proteico solubile e una diminuzione significativa dei livelli intracellulari di glutatione.
Inoltre, sono stati valutati i livelli di O-acetilserina (tiolo) liasi, OASTL; questo enzima è implicato nella produzione di cisteina, che insieme a glicina e glutammato costituisce il glutatione. I dati emersi indicano che i livelli di OASTL nelle cellule di G. phlegrea autotrofe sono molto alti ed anche la sua trascrizione genica è abbondante. Questi risultati rendono palese il fatto che tali organismi rinunciano con seria difficoltà allo zolfo. Nel caso, invece, delle cellule di G. phlegrea eterotrofe, la presenza di zuccheri in qualche modo le aiuta a sopperire alla mancanza di zolfo, inducendo un alto e stabile contenuto sia di proteine che di glutatione, senza la necessità di un’iperpressione del gene per l’OASTL.
G. phlegrea può crescere in condizione di mixotrofia
Partiamo dal presupposto che G. phlegrea possa essere cresciuta anche in eterotrofia. In che modo? Il glicerolo grezzo di solito è il mezzo usato come nutriente. Questo composto è caratterizzato da un maggiore uso commerciale rispetto al glucosio, che è più costoso. Inoltre, il glicerolo è un derivato organico nella produzione di biodiesel e può essere utilizzato per il metabolismo delle alghe.
Recenti studi, però, hanno fatto luce sul fatto che G. phlegrea possa vivere in condizione di mixotrofia, seppur con delle palesi differenze, rispetto a coloro che crescono in condizione di autotrofia. Le alghe cresciute in eterotrofia, infatti, sono state poi suddivise in due sottogruppi: al primo gruppo di organismi è stato completamente tolto il glicerolo, mentre al secondo gruppo di organismi, seppure crescendo in presenza di luce, è stato lasciato il glicerolo nel terreno di coltura.
Le alghe in assenza di glicerolo ed in presenza di luce hanno ripreso in breve tempo le loro attività e la loro crescita è aumentata. Hanno ricominciato anche ad assumere grandi quantità di ammonio e l’attività della RUBISCO è stata ripristinata del tutto. Nel caso invece delle alghe mixotrofe, nei primi 3 giorni queste hanno semplicemente accumulato glicerolo che ha portato, per altro, ad un’esplosione della produzione proteica. Piano piano, poi hanno ripreso regolarmente le loro attività ed è iniziata ad aumentare anche la loro crescita. L’assunzione dell’ammonio in tal caso non è paragonabile a quella delle alghe cresciute in assenza di glicerolo; questo ci fa capire che la presenza di tale composto, in qualche modo interferisce con la via di assimilazione dell’azoto.
Per cui, seppur siano necessari ulteriori studi a riguardo, appare evidente che queste alghe sono in grado di crescere anche in condizioni di mixotrofia, con un metabolismo regolato in maniera differente.
G. phlegrea come soluzione all’inquinamento da luce artificiale
Per concludere, abbiamo più volte ribadito che lo studio di alghe come G. phlegrea, è fondamentale dal punto di vista degli scopi applicativi. Non a caso, essa è stata recentemente valutata per l’accumulo degli scarti provenienti da fonti di luce artificiali. Essa, cresciuta in condizioni di eterotrofia (in quanto si riscontrava una crescita più rapida) è stata posta in presenza dei luminofori di scarto delle lampadine a risparmio energetico (CFL) e delle lampade fluorescenti (FL). Questi rifiuti contengono i REE; posseggono, infatti, un elevato contenuto di ittrio.
I dati rivelano che G. phlegrea può arrivare ad accumulare fino a 300 mg/L di luminofori derivanti dalle CFL e FL e l’accumulo di queste sostanze ha un vantaggio per questi organismi. Gli elementi delle terre rare causano un aumento della clorofilla e dei carotenoidi, probabilmente perché l’ittrio imita il magnesio nella struttura della clorofilla. Tali risultati potrebbero costituire la base di una tecnologia ecologica per il bioaccumulo di REE. In aggiunta, la crescita mixotrofica o eterotrofica che utilizza glicerolo di scarto come fonte di carbonio sarebbe di beneficio per la loro potenziale coltivazione su larga scala.
Fonti
- V. Reeb et al. (2010) The termo-acidophilic Cyanidiophyceae. Red Algae in the Genomic Age, pp 409-42. https://doi.org/10.1007/978-90-481-3795-4_22
- P. Imbimbo et al. (2019) A cascade extraction of active phycocyanin and fatty acids from Galdieria phlegrea. Appl Microbiol Biotechnol 103, 9455–9464. https://doi.org/10.1007/s00253-019-10154-0
- G. Pinto et al. (2007) Species Composition of Cyanidiales Assemblages in Pisciarelli (Campi Flegrei, Italy) and Description of Galdieria Phlegrea SP. NOV. In: Seckbach J. (eds) Algae and Cyanobacteria in Extreme Environments. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology, vol 11. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6112-7_26
- S. Carfagna et al. (2016) Plant and Cell Physiology, Volume 57, Issue 9, September 2016, Pages 1890–1898, https://doi.org/10.1093/pcp/pcw112
- G. Salbitani et al. (2021) Heterotrophic Cultures of Galdieria phlegrea Shift to Autotrophy in the Presence or Absence of Glycerol. J Plant Growth Regul 40, 371–378. https://doi.org/10.1007/s00344-020-10109-0
- M. Čížková et al. (2021) Bioaccumulation of Rare Earth Elements from Waste Luminophores in the Red Algae, Galdieria phlegrea. Waste Biomass Valor 12, 3137–3146. https://doi.org/10.1007/s12649-020-01182-3
