I graduali cambiamenti ambientali dovuti all'eutrofizzazione e al riscaldamento globale possono causare un rapido esaurimento dei livelli di ossigeno nei laghi e nelle acque costiere. Un nuovo studio condotto dai professori Jef Huisman e Gerard Muyzer dell'Università di Amsterdam (UvA) mostra che i microrganismi svolgono un ruolo chiave in questi disastrosi cambiamenti di regime. I risultati dei ricercatori sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 6 ottobre.

I cambi di regime sono bruschi, grandi e persistenti cambiamenti nella struttura e nella funzione degli ecosistemi innescati da cambiamenti graduali delle condizioni ambientali. Sono stati descritti cambiamenti di regime per una grande varietà di ecosistemi. Un tipo di cambiamento di regime può verificarsi nei laghi e nelle acque costiere quando un rapido esaurimento della concentrazione di ossigeno disciolto porta a una mancanza di ossigeno, che è dannoso per la maggior parte degli organismi acquatici. Sebbene questo fenomeno sia ben noto, i meccanismi sottostanti che causano la transizione da condizioni ossiche a condizioni anossiche non sono completamente compresi.

Scienziati dell'UvA e dell'Università di Edimburgo hanno sviluppato un modello matematico per studiare le interazioni tra la composizione delle specie microbiche e la concentrazione di ossigeno disciolto. Hanno scoperto che i laghi possono trovarsi in due stati stabili alternativi:uno in cui il lago è ricco di ossigeno, e un altro in cui manca l'ossigeno. Le transizioni dallo stato ossico a quello anossico avvengono sotto forma di un cambio di regime. "Quando l'afflusso di ossigeno viene gradualmente ridotto, dapprima persistono ancora cianobatteri e alghe che producono ossigeno e il lago rimane allo stato ossico, " spiega il primo autore Tim Bush. "Al di sotto di una soglia critica, però, subentrano i batteri che riducono i solfati e i batteri solforosi fotosintetici. Questi causano un aumento delle concentrazioni di solfuri, che poi uccide i cianobatteri e trasforma rapidamente il lago da uno stato ossico a uno stato anossico".

Una delle implicazioni di questo cambio di regime è che il ritorno a condizioni ricche di ossigeno non è facile. Il sistema visualizza l'isteresi. Una volta che l'acqua è diventata anossica, elevate concentrazioni di solfuri mantenute dai batteri anaerobici solforati stabilizzano le condizioni anossiche. Di conseguenza, il ritorno alle precedenti condizioni ossiche richiede un afflusso di ossigeno molto maggiore rispetto all'afflusso che originariamente ha portato il sistema nel suo stato anossico.

I ricercatori hanno monitorato un piccolo lago con anossia stagionale negli strati d'acqua più profondi per studiare queste previsioni del modello. Il lago ha mostrato isteresi nella transizione tra condizioni ossiche e anossiche, con cambiamenti nella composizione della comunità microbica in accordo con le previsioni del modello. Fenomeni simili sono stati osservati nelle acque costiere eutrofizzate, dove condizioni anossiche e alte concentrazioni di solfuri hanno portato a mortalità di massa di pesci, molluschi e molte altre specie. Gli autori indicano che simili cambiamenti di regime ossico-anossico si sono probabilmente verificati su scala globale nel passato geologico della Terra, quando vaste aree dell'oceano si sono impoverite di ossigeno durante i periodi di riscaldamento globale e alte concentrazioni di CO2 atmosferica. Secondo i professori Huisman e Muyzer, diversi aspetti non sono ancora del tutto compresi o non possono essere quantificati in dettaglio. Però, questi risultati forniscono un avvertimento che la continua eutrofizzazione e il riscaldamento di laghi e mari possono spingere questi ecosistemi oltre un punto critico di non ritorno, causando rapide transizioni da condizioni ossiche a condizioni anossiche che non sono facilmente reversibili.