Microbial responce to human pollutants in polar lakes

I laghi sono sistemi che in generale presentano delle risposte rilevabili a quelle che sono le perturbazioni ambientali. La sensibilità dei laghi a un dato agente stressante non dipende solo dall'intensità della perturbazione, ma anche da come il sistema lacustre elabora la perturbazione ambientale. Alcuni laghi possono mostrare una risposta immediata a un particolare disturbo, mentre altri possono sembrare insensibili allo stesso cambiamento. Ad esempio, i laghi grandi e profondi mostrano una maggiore capacità tampone, espressa da una risposta ritardata, mentre i laghi più piccoli possono mostrare una risposta molto rapida e intensa. I piccoli laghi e stagni che si trovano ampiamente nelle aree artiche e antartiche sono dunque ecosistemi altamente sensibili ai cambiamenti ambientali. Poiché le loro dimensioni e lo stato termico medio sono molto vicini al punto di congelamento, questi possono avere la funzione di primi rilevatori di cambiamento (come i cambiamenti climatici e la variazione nella concentrazione di inquinanti). Piccole variazioni nella dinamica e nella durata delle loro coperture di neve e ghiaccio o la deposizione di sostanze xenobiotiche possono avere un effetto notevole su tutte le variabili ecologiche rilevabili nei laghi.

Molti studi sono stati condotti sulla determinazione dei livelli di inquinanti nelle regioni polari. In particolare, a partire dagli anni 70 è stata studiata la distribuzione degli inquinanti organici persistenti (POP) e la contaminazione da metalli pesanti all’ interno di queste aree estreme. Le principali vie di trasporto dei contaminanti verso l'Artico e l'Antartide includono il trasporto atmosferico e oceanico, l'incorporazione nel ghiaccio alla deriva di inquinanti concentrati nel microstrato della superficie oceanica, l'accumulo sulla superficie della neve e del ghiaccio di inquinanti depositati dall'atmosfera ed il trasporto biologico della fauna autoctona e o migrante. Se l'inquinamento di questi ambienti è stato ampiamente studiato, le informazioni sulle risposte e sulle vie metaboliche di supporto attivate dal comparto (micro)biologico sono scarse. Negli ecosistemi di acqua dolce, i microrganismi costituiscono la base della catena alimentare che supporta livelli trofici più elevati. Sebbene si pensi generalmente che i microbi vivano nelle regioni calde della Terra, molti di loro si sviluppano in climi freddi. Inoltre, le comunità microbiche sono maggiormente soggette a cambiamenti e risposte specifiche in base alle perturbazioni ambientali a cui sono sottoposte. Ad esempio, i lieviti psicrofili mostrano una buona capacità di degradare in modo efficiente un'ampia gamma di composti fenolici e idrocarburi di petrolio a basse temperature. Recentemente, è stato dimostrato che i lieviti adattati al freddo isolati dall'Antartide hanno la capacità di utilizzare fenolo, metanolo e n-esadecano come fonte di C e anche di tollerare diversi metalli pesanti, come Cr(VI), Cd(II) e Cu(II). La tolleranza ai metalli pesanti dei lieviti adattati a freddo che degradano i fenoli mostra che i lieviti psicrofili potrebbero essere utili per il trattamento delle acque reflue fredde. Nonostante gli sforzi concertati negli ultimi 10 anni, la letteratura pubblicata fino ad oggi fornisce solo un quadro frammentario sulla biodiversità fungina negli habitat glaciali mondiali, nonché sulle sue caratteristiche fisiologiche e biotecnologiche. Al contrario, è ben noto che i batteri possiedono capacità genetiche e biochimiche per la bonifica dell'inquinamento da policlorobifenile (PCB). La biodegradazione di alcuni congeneri di PCB, solitamente meno clorurati, è stata segnalata per diversi microrganismi in altre parti del mondo. Tuttavia, i degradatori di PCB adattati al freddo sono stati raramente isolati da ambienti freddi, come i suoli artici, l'acqua e i sedimenti marini antartici. In questo contesto, il gruppo della Dott.ssa Angelina Lo Giudice ha mostrato molte novità innovative, alcune delle quali riportate durante il Comitato Scientifico per la Ricerca Antartica (SCAR 2017-2018). Tali isolati potrebbero rappresentare una valida alternativa ai metodi classici utilizzati per la degradazione dei PCB. La risposta procariotica ed eucariotica alla scansione perturbativa umana deve essere ricercata nell'espressione di percorsi genetici come la presenza/assenza/abbondanza dell'operone batterico Bph che è coinvolto nell'utilizzo dei PCB come fonte di energia e carbonio. Inoltre, l'identificazione di informazioni genetiche ausiliarie del plasmide o di fattori di trascrizione della famiglia MerR (COG0789), può contribuire al riconoscimento di batteri resistenti ai metalli pesanti.

L'obiettivo scientifico principale di MicroPolArS è ottenere nuove informazioni sulle attività microbiche nei laghi polari contro gli inquinanti presenti in ecosistemi così sensibili. Particolare attenzione sarà dedicata alle vie metaboliche alla base di questi processi di degradazione. L’obbiettivo verrà perseguito tramite:

1) Valutazione dei livelli di contaminazione chimica e confronto con i risultati reperiti in studi precedenti;

2) Analisi e stima della biodiversità e delle attività delle comunità procariotiche ed eucariotiche, e della loro distribuzione in acqua e sedimenti;

3) Isolamento e caratterizzazione di ceppi Procariotici ed Eucariotici degradanti e/o HM-tolleranti, e stima della loro attività di biodegradazione a basse temperature;

4) Correlazione di tutti i risultati per ottenere una panoramica dell'adattamento e della specializzazione della comunità microbica, dovuta alla pressione degli inquinanti ambientali.

Significato scientifico della ricerca

Il Progetto MicroPolArS consentirà di:

1) Determinare lo stato di salute dell’ambiente, in termini di inquinamento idrico e sedimentario, di selezionati laghi artici e antartici;

2) Valutazione della struttura e composizione della comunità microbica, valutando anche la correlazione esistente con la presenza di specifici inquinanti;

3) Analisi approfondita delle vie genetiche microbiche coinvolte nella degradazione degli inquinanti e della tolleranza HM;

4) Isolamento di ceppi batterici e fungini che degradano gli inquinanti da applicare a scopo di biorisanamento in aree polari.

Si prevede inoltre che le tecnologie sviluppate saranno attraenti per le aziende che lavorano nella biotecnologia microbica. Tutti i risultati filogenetici saranno inseriti in una nuova raccolta di database che sarà accessibile alla comunità scientifica, per migliorare le conoscenze in merito a questi ambienti estremamente e sensibili.