Un nuovo microrganismo in grado di degradare l’etano

Gli abissi dei mari e degli oceani rappresentano una delle ultime frontiere esplorative rimaste sul pianeta. Si tratta di luoghi inospitali per la maggior parte degli organismi, mentre per altri, le notevoli pressioni ambientali che caratterizzano l’immenso continente inondato non sembrano essere affatto una limitazione. La fuoriuscita di gas naturali dalle profondità marine, ad esempio, rappresenta una straordinaria fonte di energia per le comunità microbiche che vivono in tali ambienti. Queste particolari scaturigini sono situate laddove le attività geotermiche o particolari reazioni chimiche generano fluidi contenenti elevate quantità di composti inorganici.

Il consumo di etano da parte di microrganismi anaerobi

L’etano (C₂H₆) è il secondo idrocarburo più abbondante tra i gas di origine termogenica e analogamente al metano, è chimicamente non reattivo. Spesso risulta superiore del 10% in volume rispetto al CH₄, ma tra gli alcani, è il meno studiato sul fronte della biodegradazione anaerobica. Il consumo biologico di etano in condizioni anossiche è suggerito dai profili geochimici legati alle fuoriuscite di idrocarburi in ambienti marini profondi. I microrganismi e le reazioni che catalizzano questo processo rimangono per lo più sconosciuti. Una recente scoperta però, ha mosso il primo passo verso la comprensione di nuovi meccanismi di biodegradazione di idrocarburi in assenza di ossigeno.

Un nuovo archea che consuma etano trovato nelle profondità marine

Un nuovo microrganismo è stato isolato dalle acque oceaniche ad una profondità di oltre 200 metri. E’ la prima identificazione di un anaerobio capace di degradare l’etano, una scoperta fondamentale per colmare il gap relativo alla comprensione della biodegradazione della serie di alcani omologhi in condizioni anaerobiche.

La denominazione scientifica proposta per questo archea è ‘Candidatus Argoarchaeum ethanivorans’. La descrizione del taxon prende in prestito parole dal greco e dal latino. Argoarchaeum infatti, deriva da argós (greco) che significa lento, senza fretta e archaeum da archaeon (greco) che indica un’antica forma di vita; ethanivorans è invece composto da aithérios (greco), ovverosia arioso, gassoso e vorans (latino), dal verbo voro che vuol dire mangiare, divorare. Il nome identifica quindi un archea a crescita lenta in grado di ossidare l’etano.

Co-cultura di arricchimento

Questo microrganismo è stato studiato mediante l’utilizzo di una coltura di arricchimento senza sedimenti denominata Ethane12. L’esperimento ha permesso di osservare un tasso approssimativo di ossidazione dell’etano pari a 4 mmoli al giorno per grammo di peso secco di cellule. La co-coltura, capace di ossidare completamente l’etano riducendo il solfato a solfuro, ha mostrato una prevalenza di ‘Candidatus Argoarchaeum ethanivorans’, responsabile dell’ossidazione dell’etano in CO₂ con la partecipazione di altri microrganismi (Deltaproteobacteria), capaci invece di ridurre il solfato. Come tutti i microrganismi anaerobi noti che ossidano il metano, il propano e il butano, ‘Candidatus Argoarchaeum ethanivorans’ è stato classificato come un archea anaerobio metanotrofico (figura 1).

Figura 1 – Caratterizzazione microscopica della coltura Ethane12 — Figura 1 – Caratterizzazione microscopica della coltura *Ethane12.*
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1063-0

Collaborazione microbica

Sebbene l’ossidazione degli alcani da parte di enzimi noti come l’ossigenasi in presenza di ossigeno ambientale (ossidazione aerobica) sia una reazione termodinamicamente favorita, il processo anaerobico risulta invece sfavorevole. Pertanto, l’ossidazione in assenza di ossigeno di un alcano può verificarsi solo se è accoppiata ad una reazione di riduzione estremamente vantaggiosa in termini termodinamici (figura 2).

Figura 2 - Schema del destino degli idrocarburi nelle profondità marine — Figura 2 – Schema del destino degli idrocarburi nelle profondità marine.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1063-0

A tal riguardo, il genoma di ‘Candidatus Argoarchaeum ethanivorans’ manca di enzimi che riducono il solfato, ma un’analisi dei microrganismi che vivono nella stessa cultura ha rivelato la co-presenza di due ceppi batterici del genere Desulfosarcina che riducono il solfato in solfuro. Questa relazione reciprocamente benefica viene definita sintrofia.

C’è un dibattito attivo sulla natura della relazione sintrofica tra l’archea e i batteri che riducono il solfato. Non è chiaro se venga coinvolto lo scambio di metaboliti come piccole molecole organiche o molecole contenenti zolfo tra le specie partner o se avvenga un trasferimento diretto interspecie di elettroni.

Gli autori di questo studio pensano che, per l’ossidazione dell’etano, il trasferimento di un metabolita contenente zolfo possa essere il processo più probabile. Questo perché ‘Candidatus Argoarchaeum ethanivorans’ produce molto zolfo durante la crescita, manca di nanofili osservati nei microrganismi metano-ossidanti e cresce in forma planctonica anziché formare biofilm. L’esatto meccanismo di tali relazioni e meccanismi, tuttavia, è ancora in via di comprensione.

Controllo microbico dei gas serra naturali

Pennacchi di gas naturali emergono costantemente dal fondo delle acque marine. Queste fonti di idrocarburi sono responsabili del 5% del metano, un gas a effetto serra, presente nell’atmosfera terrestre. La quantità di idrocarburi rilasciata dalle acque profonde nell’atmosfera viene sostanzialmente ridotta dai microrganismi che catturano e utilizzano questi gas come fonte di carbonio.

Poiché tali composti sono per lo più assorbiti dai microrganismi nelle acque profonde, solo una piccola parte li raggiunge nell’atmosfera. ‘Candidatus Argoarchaeum ethanivorans’, ad esempio, processa l’etano che proveniente dal fondo marino che emette gas serra naturali attraverso fenditure nella crosta terrestre; nell’attuare tale processo di degradazione genera un altro gas a effetto serra, l’anidride carbonica (CO₂). Tuttavia, anche se l’anidride carbonica, per via delle grandi quantità presenti in atmosfera, risulta il gas- serra più importante, il metano produce effetti sul surriscaldamento globale 25 volte maggiori.

Alla luce di queste considerazioni, una maggiore attenzione dovrebbe essere rivolta a questi microrganismi, in parte ancora sconosciuti, poiché dalle profondità marine potrebbero fornire un prezioso aiuto per controllare gli effetti negativi dei gas serra naturali e magari, anche quelli di origine antropogenica.

Bibliografia

Chen, Song-Can, et al. “Anaerobic oxidation of ethane by archaea from a marine hydrocarbon seep.” Nature (2019): 1.

Dalsøren, Stig B., et al. “Discrepancy between simulated and observed ethane and propane levels explained by underestimated fossil emissions.” Nature Geoscience 11.3 (2018): 178.