Un team di ricerca dell’Università del Nebraska-Lincoln ha identificato nuovi attori microscopici nel ciclo globale del carbonio, una scoperta che dipinge un quadro più chiaro del flusso di carbonio attraverso l’ambiente e fornisce informazioni chiave per lo sviluppo sostenibile di fonti di bioenergia.
Una recente pubblicazione in Comunicazione Terra e ambiente è tra i primi studi a dimostrare che i metanogeni-microrganismi onnipresenti in ambienti a basso ossigeno come laghi, zone umide, falde acquifere, habitat d’acqua dolce, una varietà di terreni e persino permafrost-possono spingere la loro crescita consumando idrogeno e dissolvendo il carbonato di calcio, uno dei minerali più abbondanti della Terra. Questo processo metabolico produce metano, che è sia un biocarburante che un potente gas serra.
“Questa è una delle prime dimostrazioni di dissoluzione microbica del carbonato di calcio a un pH più elevato”, ha affermato Karrie Weber, professore di scienze biologiche e scienze della terra e dell’atmosfera.
Weber e Nicole Fiore, docente ed ex studente laureato in scienze biologiche, hanno guidato il team Husker. Il documento culmina più di un decennio di lavoro presso l’università, compresi i contributi di molti studenti laureati e universitari e ricercatori post -dottorato.
Individuando i microrganismi che dissolvono il carbonato, il team ha sfidato la convinzione prevalente che i minerali carbonatici-che contengono circa l’80% del carbonio terrestre-sono stabili a livelli di pH elevati. Questa potenziale instabilità significa che in alcune posizioni – dove vi è carbonio sottoposti a soscifie sequestrati come carbonati e condizioni che supportano la vita microbica – il carbonio sequestrato può essere convertito in metano, specialmente nei serbatoi di energia idrogeno sotterranea.
“Qualcosa da considerare, quando si guardano questo tipo di strategie, è se ci sono metanogeni presenti e la misura in cui potrebbero essere in grado di annullare ciò che stiamo facendo con il sequestro dei minerali”, ha affermato Fiore, la cui compagnia di ricerca della National Science Foundation è finanziata una parte del lavoro.
Il lavoro è iniziato con un campione di fango dal terreno delle zone umide saline alcaline a Lincoln. I ricercatori sapevano già che eventuali metanogeni nel campione avrebbero consumato idrogeno, ma non sapevano se i microbi potessero dissolvere il carbonato di calcio per generare metano. Per rispondere a questa domanda, hanno creato condizioni di coltura speciali che includevano carbonato di idrogeno e calcio, un ambiente progettato per eliminare i microrganismi non in grado di utilizzare il carbonato.
Una piccola comunità di microrganismi è sopravvissuta al processo di coltura, i cui genomi hanno costruito i ricercatori utilizzando una tecnica chiamata metagenomica risolta dal genoma. La comunità conteneva non solo metanogeni, ma cinque tipi di batteri. Il team è stato in grado di visualizzare questi microbi usando il microscopio delle auto del Nebraska (coerente anti-Stokes Raman Scattering), parte del Laser Assisted Nano Engineering Lab. Il lavoro ha dimostrato che i microbi erano attaccati alla superficie del minerale carbonato.
In una partenza da altri studi che esplorano questa domanda, il team Husker ha controllato rigorosamente il livello di pH – l’acidità o la basicità – della cultura. Questo perché i minerali carbonatici cambiano lo stato quando i livelli di pH fluttuano. Tenendo stabile il pH, il team ha assicurato che lo scioglimento dei minerali potesse essere più definitivamente attribuita al metabolismo dei microrganismi piuttosto che alla chimica mutevole della cultura.
Il metabolismo dei metanogeni ha conseguenze nel regno della bioenergia. I ricercatori sono sempre più interessati a utilizzare l’idrogeno naturale come combustibile pulito: il Nebraska, in effetti, ospita il primo ben perforato degli Stati Uniti per trovare idrogeno presente in natura. Weber ha affermato che è importante determinare fino a che punto i processi microbici possono influire sui serbatoi di idrogeno del sottosuolo. Un’altra strada da esplorare è se il metano che i methanogeni producono può essere sfruttato come gas naturale alternativo, oltre all’idrogeno del sottosuolo.
Il prossimo passo, ha affermato Weber, è determinare quali altri materiali carbonatici i methanogeni sono in grado di dissolvere e cercare biosignature che confermano che il processo di dissoluzione sta avvenendo nell’ambiente, non solo in laboratorio. Il team crede che probabilmente si verifichi in tutto il mondo, poiché sia i carbonati che lo stesso tipo di metanogeni sono fianco a fianco in molte posizioni in tutto il mondo.
“Questa è una ricerca locale con significato globale”, ha detto Weber.
Oltre alla sovvenzione NSF di Fiore, il lavoro è stato supportato da una sovvenzione spaziale del Nebraska della NASA e finanziamenti dal Nebraska Center for Energy Sciences Research e dal Centro finanziato NSF per l’innovazione radicale e rizobioma.
Altri autori di Husker sono Xi Huang, assistente alla ricerca in ingegneria elettrica e informatica; Yongfeng Lu, distinto professore di ingegneria elettrica e informatica; Nicole Buan, professore di biochimica; Dan Miller, facoltà aggiunta in agronomia e orticoltura e microbiologo di ricerca con sede a Lincoln presso il Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti; L’ex ricercatore post-dottorato Sanjay Antony-Babu; e gli ex studenti Anthony Kohtz, Donald Pan e Caitlin Lahey.
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