L’aerobiologia oceanica (parte 1)

E se vi dicessimo che esiste una scienza che studia la composizione biologica (aerobiota) dell’atmosfera e delle correnti d’aria? In due appuntamenti separati, vi parleremo dell’aerobiologia oceanica e delle comunità microbiche marine volatili.

L’aerobiologia: cenni storici

Il 16 Gennaio (1833), quando il Beagle era dieci miglia al largo della fine N.W. di St. Jago, fu trovata una polvere molto sottile aderente alla parte inferiore della banderuola orizzontale alla testa dell’albero; sembrava essere stata filtrata dalla garza dall’aria, come la nave giaceva inclinata al vento. Il vento era stato per ventiquattro ore in precedenza E.N.E., e quindi, dalla posizione della nave, polvere di piastrelle probabilmente proveniva dalla costa dell’Africa.

Darwin, C., 1846.
Aerobiologia, charles darwin
Figura 1 – Ritratto della HMS Beagle ripreso da Conrad Martens [Fonte: wikimedia.org]

Nel 1846 Charles Darwin pubblicò l’opera “Geological Observation” in cui descrisse il suo viaggio in giro per il Sud America. Da questo viaggio, vide luce un ulteriore pubblicazione accessoria, denominata “Un resoconto della polvere fine che cade spesso sulle navi nell’Oceano Atlantico”. In questa pubblicazione Darwin raccontò di una polvere finissima che ricopriva la superficie del vascello (H.M.S. Beagle). Questa polvere, che ipotizzò avesse origine dall’Africa, fu studiata da lui e il suo collega Christian Gottfried Ehrenberg. Proprio Ehrenberg ritrovò all’interno di questa polvere 2 particolari organismi di origine marina, tra i 67 taxa individuati. Le due specie identificate furono Grammatophora oceanica and Textilaria globulosa. Come ogni piccolezza a cui Darwin prestava attenzione e a cui dedicava importanti studi, anche da questa osservazione apparentemente inutile ne derivò il primo approccio all’aerobiologia.

L’aerobiologia: definizione

L’aerobiologia oceanica è definita come lo studio di quelle particelle biologiche di origine marina, inclusi organismi viventi presenti nell’atmosfera il loro ruolo ecologico, biochimico e il coinvolgimento nei processi climatici. Ovviamente è una definizione adattata allo studio del relativo ambiente acquatico marino. Generalmente, è considerata una scienza nuova, multidisciplinare, che studia le particelle organiche (batteri, spore fungine, insetti, polline e virus) presenti in atmosfera, le fonti di quest’ultime, le modalità e gli effetti sull’ambiente. Particolare attenzione viene posta sulla comunità microbiche marine. Si può dire che questa è stata utilizzata come modello per predire il comportamento diffusivo dei virus in malattie aero diffuse, si veda il virus SARS-CoV-2. Questo perché ovviamente parliamo di diffusione di qualsiasi materiale biologico tramite il vettore aria.

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Figura 2 – L’oceano. [Fonte: wikimedia.org]

Flussi e comunità microbiche

La rilevanza del trasporto aereo di microrganismi marini dipende essenzialmente da tre fattori:

  • Flussi di organismi tra oceano e atmosfera
  • Distanza coperta dai microrganismi in atmosfera
  • Percentuale di organismi vitali dopo la deposizione tramite i movimenti d’aria

Per avere un’idea generale di questi fenomeni, basti pensare che trilioni di microrganismi sono usualmente scambiati quotidianamente tra oceano e atmosfera. Fattore su cui si basa appunto lo studio dell’aerobiologia oceanica. Ipoteticamente attraverso i movimenti d’aria nella troposfera i microrganismi possono essere dispersi su continenti e oceani raggiungendo una distribuzione capillare. Data la ricchezza microbica degli oceani è importante caratterizzare e quantificare l’aerobiota marino. Con aerobiota marino, vogliamo intendere appunto l’insieme di organismi viventi che caratterizzano il mezzo aria al di sopra degli oceani, nello specifico le comunità microbiche marine. In prossimità delle terre emerse, l’aerobiota è composto principalmente da microrganismi terrestri, ma allontanandosi da queste la componente marina prevale. Tra queste ritroviamo batteri, virus, Archaea e eucarioti unicellulari (o cellule di eucarioti più complessi).

Aerosol marini

Gli studi rilevanti riguardo l’aerobiologia oceanica sono però purtroppo carenti. In particolar modo c’è un solo studio riguardo le comunità microbiche volatili a livello globale che non comprende alcun riferimento agli oceani. In generale possiamo distinguere fra aerosol marini primari e secondari (Fig.3). I primari sono direttamente emessi dalla superficie oceanica in atmosfera. Sono generati dalla rottura delle onde, che causa l’intrappolamento di aria e materiale organico all’interno delle bolle. Queste bolle, a contatto con la superficie, scoppiano diffondendo il materiale intrappolato, generando quelli che vengono definiti Sea Spray Aerosol (SSA).

Aerosol marini, aerobiologia oceanica e aerobiota
Figura 3 – Formazione degli aerosol. [Fonte: Alsante et al., 2021]

Gli aerosol secondari, invece, sono prodotti tramite ossidazione del materiale organico volatile emesso da specie fitoplanctoniche e batteri. Questi necessitano di precursori gassosi per la loro formazione. Per approfondire però il discorso riguardo gli aerosol marini, è necessario parlare di micro-strato di superficie del mare (sea surface microlayer o SML) e composti organici volatili (VOCs).

SML e VOCs

La caratterizzazione del sea surface microlayer (SML) e dei composti organici volatili (VOCs) costituiscono due fattori chiave nello studio dell’aerobiologia oceanica. Con SML indichiamo il micro-strato più superficiale del mare, compreso fra 1 e 1000 µm. È possibile osservare questo strato quando il vento non presenta una velocità superiore ai 10-13 m/s. Esso costituisce un ambiente unico, caratterizzato da proprietà biologiche, chimiche e fisiche particolari. In questa zona la concentrazione di materia organica può essere mille volte superiore agli strati sottostanti (in relazione alla distensione dello strato stesso), includendo proteine, lipidi, carboidrati, protisti, batteri e virus.

Non è stato ancora possibile osservare con esattezza le comunità microbiche di questo particolare strato, anche se si ipotizza che la lisi virale ricopra un ruolo fondamentale nell’arricchimento in materiale organico. Molto spesso le comunità microbiche tendono ad aggregarsi in matrici gelatinose formate da particelle di esopolimeri trasparenti (TEP), richiamo alla formazione del fenomeno della neve marina. Con VOCs invece intendiamo composti organici volatili, tra questi distinguiamo; acetaldeide, acetone, acetonitrile, dimetil solfuro (DMS), isoprene e altri composti.

Aerobiologia: i microrganismi

Volendo descrivere le comunità microbiche marine, è possibile farlo ma in linea generale, data la carenza di studi specifici che ne permetterebbero la caratterizzazione. Microrganismi volatili possono influenzare la distribuzione di specifici taxa oceanici, le strutture ecosistemiche e lo scambio genetico tra ecosistemi differenti. La caratteristica fondamentale per questo tipo di scambi volatili è la taglia dei microrganismi stessi. Questo perché la taglia può appunto cambiare la velocità di deposizione (Fig.4) di questi, dai valori più bassi tipici dei virus a quelli più alti dei più grandi eucarioti.

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Figura 4 – Microrganismi marini e velocità di deposizione in relazione alla taglia. [Fonte: Alsante et al., 2021]

Questo tipo di trasferimento può aiutare a superare le ovvie barriere geografiche che possiamo ritrovare normalmente fra ambiente acquatico e terrestre, che per ovvi motivi impediscono il movimento di cluster microbici. Secondo la ricerca condotta da Jönsson and Watson (2016) una particella d’acqua può viaggiare per più di 9 anni trasportata dalle correnti acquatiche, mentre in atmosfera viaggia per un paio di giorni massimo.

Virus, Archaea e batteri

Grazie all’aerobiologia oceanica sappiamo che i virus rappresentano le entità biologiche più diffuse negli oceani, e grazie a fenomeni come il viral shunt ricoprono ruoli fondamentali all’interno dei cicli biogeochimici globali. Grazie alle dimensioni ridotte e all’elevata abbondanza, rappresentano una componente fondamentale degli aerosol primari. Essi sono concentrati nello strato SML, legati agli esopolimeri (TEP). In particolar modo sembra che virus con envelope lipidico siano molto più abbondanti grazie alle loro proprietà di superficie idrofobiche.

Riguardo gli Archaea invece non sono molte le informazioni in nostro possesso, anche per la mancanza di tecniche di conta microbica in grado di distinguere fra batteri ed Archaea stessi. Per i batteri invece sembra che le masse d’aria marina contengano principalmente batteri gram-negativi, differenza interessante rispetto alle masse d’aria terrestri contenenti gram-positivi. Per questa differenza non è ancora disponibile alcun chiarimento. Però siamo in grado di dire che i batteri con rivestimento composto da acidi micolici tendono ad essere diffusi più facilmente rispetto ad altri.

Eucarioti e cellule eucariotiche

In relazione agli eucarioti invece parliamo di due gruppi ben distinti, protisti e funghi. Questi due gruppi sono quelli maggiormente ritrovati nell’atmosfera marina. Esempi di protisti marini possono essere elementi del fitoplancton (dinoflagellati, diatomee, coccolitofori) e organismi eterotrofi come ciliati, foraminiferi e radiolari. Molto spesso il trasferimento verso l’atmosfera avviene a livello di cellule intere, in alcuni casi anche di frammenti. Uno degli organismi più studiati è Emiliania huxleyi, in particolare coccoliti dalla sua parete cellulare. Molto spesso, infatti, i componenti delle pareti cellulari vengono utilizzati come biomarker per distinguere le diverse specie.

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Figura 5 – Emiliania huxleyi, struttura dei coccoliti. [Fonte: PLoS Biology, June 2011, Cover]

Luigi Gallucci

Fonti

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