Un viaggio nelle acque oceaniche per scoprire come le colonie di Trichodesmium acquisiscono il ferro dalle polveri desertiche

A pochi metri dalla superficie delle acque oceaniche, minuscoli cianobatteri dal portamento filamentoso, esplodono periodicamente in fioriture talmente estese da poter essere osservate dallo spazio (figura 1). I grandi flussi di nutrienti, molecole organiche e tossine rilasciate delle colonie di Trichodesmium producono un forte impatto sulle componenti chimiche e biologiche degli ecosistemi marini. Questi cianobatteri svolgono infatti un importante ruolo nelle acque oligotrofiche, contribuendo al 50% della fissazione marina di N2.

Un recente studio ha indagato le complesse relazioni che si instaurano tra Trichodesmium e i batteri che vivono all’interno delle loro estese colonie, focalizzando la ricerca sulla capacità di questi microrganismi di catturare il detrito sabbioso e dissolvere il ferro presente nelle particelle di polvere.

Figura 1 – Fioriture di Trichodesmium osservate da satellite.

Biodisponibilità di ferro

L’apporto di nutrienti come ferro, fosforo e azoto regola la crescita del fitoplancton in vaste regioni marine. La polvere proveniente dalle zone desertiche, ricca in ferro, attraverso l’azione del vento viene trasportata in atmosfera, per poi essere riversata sulla superficie dell’oceano. Le sabbie desertiche sono considerate un’importante fonte di ferro per gli ambienti che ne risultano carenti, ma la bassa permanenza del fine particolato nelle zone fotiche e la scarsa solubilità del minerale limitano l’utilizzo di questo importante elemento da parte del fitoplancton. Le colonie galleggianti di Trichodesmium però, sono in grado di superare queste limitazioni grazie alla loro capacità di intrappolare e trasferire le particelle di polvere nelle zone centrali delle aggregazioni che formano.

Siderofori

Oltre alle capacità di stabilizzazione della polvere, è stato osservato come le colonie di Trichodesmium siano in grado di modificare chimicamente il particolato, aumentandone la solubilità e la biodisponibilità di ferro legato al materiale sabbioso. I due meccanismi più comuni adottati dai microrganismi per l’acquisizione del minerale sono la dissoluzione riduttiva e la dissoluzione promossa da siderofori, ovvero piccole molecole con elevata affinità per il ferro, in grado di chelarlo in maniera estremamente efficace.

Un numero elevato di siderofori, prodotti da batteri, funghi e cianobatteri, sono quindi coinvolti nella dissoluzione attiva del ferro in molti ambienti terrestri e acquatici. Nell’oceano, i siderofori del gruppo ferrioxamina sono frequentemente rinvenuti nelle acque superficiali e sono considerati estremamente importanti per il ciclo del ferro in ambiente marino. Tuttavia, sebbene il Trichodesmium catturi e rimescoli la polvere all’interno delle proprie colonie, non possiede percorsi noti per la sintesi di siderofori.

Lo studio

Uno studio, condotto da un team internazionale di ricercatori, ha recentemente evidenziato le interazioni mutualistiche esistenti tra i cianobatteri del genere Trichodesmium e particolari batteri epibiotici, sviluppate per l’acquisizione di ferro dalle polveri atmosferiche. I batteri promuovono la dissoluzione del minerale mediante l’utilizzo di molecole complessanti (siderofori), mentre i cianobatteri forniscono loro polvere concentrata all’interno delle proprie colonie, predisponendo condizioni fisiche ottimali per la dissoluzione e l’assorbimento (figura 2).

Figura 2 – Processo di acquisizione del ferro ad opera delle colonie di Trichodersmium e dei batteri associati.
https://www.nature.com/articles/s42003-019-0534-z/figures/1

In primo luogo, è stata indagata la presenza di siderofori nelle fioriture di Trichodesmium nelle coste dal Mar Arabico e nel Golfo di Aqaba, all’estremità settentrionale del Mar Rosso. Da questa prima analisi, sono stati individuati siderofori in tutte le colonie di Trichodesmium e in una fase successiva, è stata misurata la produzione attiva di siderofori in risposta all’aggiunta di polvere. Infine, è stato esaminato l’effetto dei siderofori sulla dissoluzione del minerale e sull’assorbimento da parte di entrambi i membri del consorzio.

Distribuzione spaziale del ferro nelle colonie di cianobatteri

Attraverso alcuni test sulla distribuzione spaziale del ferro inglobato all’interno di diverse colonie naturali di Trichodesmium è emerso che il particolato risulta maggiormente presente all’interno del nucleo (figura 3) della colonia, rispetto alle zone periferiche. Il Trichodesmium combina tratti fisiologici e comportamentali che gli consentono di venire a contatto, catturare e indirizzare la polvere all’interno di un particolare microambiente. La capacità dei cianobatteri di intrappolare la polvere e confinarla nel centro della colonia, fornisce un ambiente ottimale per la dissoluzione del particolato da parte dei batteri. Tale processo è infatti altamente efficace in condizioni di bassa turbolenza, elevata densità batterica e interazioni microrganismo-microrganismo a breve distanza; in aggiunta tali condizioni favoriscono l’accumulo di molecole di rilevamento atte a coordinare la produzione di siderofori da parte dei batteri.

Figura 3 – Assorbimento di ferro localizzato all’interno del nucleo di singole colonie di Trichodesmium incubate con ferriidrite.
https://www.nature.com/articles/s42003-019-0534-z/figures/5

Relazioni mutualistiche

Le colonie di Trichodesmium promuovono quindi un consorzio che reagisce attivamente alla polvere, catturandola ed estraendone i nutrienti. I batteri che risiedono nelle colonie di Trichodesmium hanno un netto vantaggio nella dissoluzione e nell’utilizzo di ferro rispetto a quelli che vivono liberamente in acqua. In cambio, il Trichodesmium ottiene una fonte di ferro disciolto biodisponibile che altrimenti risulterebbe insolubile. Lo sforzo collaborativo all’interno delle colonie di Trichodesmium per aumentare la biodisponibilità del ferro dal materiale sabbioso è un chiaro esempio di associazione mutualistica. Le interazioni microbiche all’interno delle colonie espandono così la diversità metabolica del Trichodesmium, contribuendo al successo nei sistemi oligotrofici.

Cambiamenti climatici

In un’ottica futura, si prevede che la deposizione delle polveri, causata dagli agenti atmosferici, si intensificherà a causa della desertificazione guidata dal riscaldamento globale. Questi scenari climatici suggeriscono un aumento degli input di ferro, mediante un maggiore apporto del particolato. Conseguentemente, le fioriture di Trichodesmium potrebbero aumentare notevolmente, nutrendo altro fitoplancton. Questo processo potrebbe accelerare la produzione primaria oceanica ed influire sui cicli biogeochimici marini. Si tratta di un aspetto da non sottovalutare: tale fenomeno potrebbe infatti produrre effetti negativi, in quanto rapidi cambiamenti dei delicati equilibri biogeochimici sono in grado di incidere in maniera diretta e indiretta sulla salute dell’intero ambiente marino, innescando processi inattesi e difficili da controllare.

Bibliografia

  • Prabhu Matondkar, S. G., Shaked, Y. (2019). Colonies of marine cyanobacteria Trichodesmium interact with associated bacteria to acquire iron from dust. Communications Biology, 284(2), 2399-3642.
  • Roe, K. L., Barbeau, K., Mann, E. L., & Haygood, M. G. (2012). Acquisition of iron by Trichodesmium and associated bacteria in culture. Environmental microbiology, 14(7), 1681-1695.

Informazioni su Ilaria Vaccarelli 9 Articoli
Sono dottoressa in Scienze e Tecnologie per l'Ambiente e speleologa. Amo girovagare sopra, sotto e dentro le montagne, ma il mio più grande interesse riguarda la microbiologia degli ambienti sotterranei.

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