Piccoli microbi giocano un ruolo importante nel far circolare il carbonio e altri elementi chiave attraverso la nostra aria, acqua, suolo e sedimento. Non solo i microbi catturano e rilasciano carbonio, contribuendo a un ciclo che è centrale per la vita sulla Terra, rilasciano anche composti che possono cambiare i minerali esistenti e formarne di nuovi, modellando a loro volta la geologia del mondo che ci circonda.

Cogliere il biologico, i processi chimici e geologici in cui i microbi sono coinvolti è fondamentale per comprendere e prevedere il clima globale, emissioni di gas serra, trasporto di nutrienti e altri fenomeni naturali.

I ricercatori che studiano questi processi presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (DOE) hanno scoperto che queste comunità microbiche sono significativamente influenzate dai tipi di fonti di "cibo" di carbonio disponibili. Le loro scoperte, pubblicato sulla rivista PLOS UNO , rivelano che il tipo di fonte di carbonio influenza non solo la composizione e l'attività delle comunità microbiche naturali, ma anche a loro volta i tipi di prodotti minerali che si formano nel loro ambiente.

"Il nostro studio dimostra lo stretto accoppiamento tra i sistemi biologici e l'ambiente, due cose che la maggior parte delle persone considererebbe separatamente, " ha detto il microbiologo di Argonne Dion Antonopoulos, coautore dello studio. "Abbiamo dimostrato che quando i microrganismi alterano il loro ambiente, il loro ambiente influenza quindi il tipo di microrganismi presenti e la loro attività".

Per la loro analisi, i ricercatori si sono concentrati sulle comunità microbiche trovate sotto la superficie terrestre che eseguono la respirazione anaerobica, un processo chimico per rilasciare energia da fonti di "cibo" di carbonio che avviene attraverso una complessa serie di reazioni in un ambiente privo di ossigeno. I batteri assorbono carbonio e rilasciano vari sottoprodotti chimici nell'ambiente; alcuni sottoprodotti di questo processo modificano i minerali presenti nell'ambiente circostante.

I ricercatori hanno preso queste particolari comunità microbiche e le hanno presentate con una delle tre fonti di carbonio:glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio; lattato, un composto a quattro atomi di carbonio; o acetato, un semplice composto a due atomi di carbonio.

"Oltre a scegliere l'acetato, lattato e glucosio a causa della loro relativa gamma di complessità, li abbiamo scelti perché sono rappresentativi dei tipi di molecole di carbonio trovate, in vari gradi, in ambienti sotterranei, "ha detto il fisico di Argonne Kenneth Kemner, coautore dello studio.

Dopo aver fornito ai batteri queste tre fonti di cibo, i ricercatori hanno trascorso settimane a monitorare e misurare i cambiamenti all'interno di questi sistemi. Tra l'altro, hanno misurato la quantità e la velocità con cui il glucosio, il lattato e l'acetato sono stati usati dai batteri, i sottoprodotti minerali che si sono formati nel loro ambiente e i tipi di microbi presenti in ogni momento.

"Lo studio della crescita delle comunità microbiche è qualcosa su cui si sono concentrati molti ricercatori, ma il fatto che lo stiamo combinando con lo studio dei cambiamenti nella chimica di questi sistemi, e farlo in modo molto sincronizzato, è ciò che rende questo lavoro nuovo, ", ha detto il biogeochimico di Argonne Ed O'Loughlin, un altro coautore dello studio.

L'analisi affiancata di questi dati ha permesso ai ricercatori di vedere quali tipi di microbi sono diventati più o meno abbondanti in un insieme specifico di condizioni ambientali. La sovrapposizione di questi dati ha anche permesso loro di osservare come le comunità microbiche sono cambiate insieme ai cambiamenti delle condizioni ambientali nel tempo.

"Gli studi precedenti hanno utilizzato solo pochi campioni e misurato i cambiamenti in pochi punti nel tempo, come lo stato iniziale e finale. Nel nostro caso, abbiamo raccolto dati in molti più momenti nel tempo, contribuendo a caratterizzare meglio la risposta del sistema nel tempo, " ha detto O'Loughlin.

La loro analisi ha mostrato che una serie distinta di cambiamenti si è verificata in modo coerente quando i microbi sono stati esposti ad ambienti ricchi di lattato o acetato. Però, in ambienti ricchi di glucosio, hanno osservato diversi modelli di cambiamenti.

"Pensiamo che, perché il glucosio è più grande, composto più complesso che può essere scomposto in molti composti più semplici, questo apre più percorsi chimici nella comunità attraverso i quali può essere utilizzato, e che questo diverso potenziale metabolico spiega i diversi modelli che stiamo vedendo, " disse O'Loughlin.

"Scoprire quali sono quei parametri che fanno sì che una comunità microbica segua uno schema particolare, sarebbe una direzione per la ricerca futura, " Egli ha detto.