L'acqua di mare non è solo acqua salata. L'oceano è una vera zuppa di sostanze chimiche.

Parte di quel brodo proviene da composti di carbonio disciolti, che rappresentano un deposito significativo di carbonio globale, alla pari con la quantità trattenuta nell'atmosfera. I ricercatori stanno lavorando attivamente per classificare le forme che il carbonio assume negli oceani del mondo, così come i processi biologici che lo riciclano nell'acqua dell'oceano.

Alcune molecole, come proteine ​​e zuccheri, facilmente abbattere, mentre altri sono più resistenti al degrado. Un nuovo studio, guidato dal ricercatore post-dottorato dell'UC Santa Barbara Shuting Liu, ha studiato alcuni di questi composti più recalcitranti e i microbi che possono digerirli. I risultati, che appaiono sul giornale Limnologia e Oceanografia , illuminare gli aspetti di base del ciclo del carbonio oceanico e può aiutare gli scienziati a prevedere il ruolo svolto dai microbi nella sua regolazione.

Liu e il professor Craig Carlson, presso il Dipartimento di Ecologia, Evoluzione e Biologia Marina, fanno parte di un gruppo che conduce ricerche presso il sito Bermuda Atlantic Time-series Study. Il sito è un progetto di ricerca a lungo termine nel Mar dei Sargassi, essa stessa una regione dell'Atlantico nelle vicinanze di Bermuda. Nel corso di molti anni, gli scienziati hanno notato che la materia organica disciolta si accumula nelle acque superficiali durante i mesi estivi più calmi. Le condizioni più difficili in inverno hanno mescolato questi composti in acque più profonde, uno strato che gli scienziati chiamano zona mesopelagica o, la zona del crepuscolo, perché abbraccia le profondità più basse che la luce può raggiungere. Una volta che è successo, parte della materia organica si decompone, e il ciclo ricominciava. La squadra era ansiosa di capire perché.

Fare così, Liu e i suoi colleghi si sono concentrati sulle molecole alicicliche ricche di carbossile, o CRAM, una gamma particolarmente dura e diversificata di composti organici con proprietà chimiche simili, alcuni dei quali comprendono le molecole organiche più tenaci dell'oceano.

Una classe di composti che si adatta alla descrizione CRAM sono le lignine, il gruppo di molecole che conferiscono al legno la sua rigidità. Infatti, Liu ha utilizzato la lignina come uno dei quattro composti modello simili a CRAM nel suo esperimento.

L'obiettivo della squadra era semplice. "Stiamo cercando di vedere quali tipi di microbi stanno rispondendo a questi composti simili a CRAM nel mesopelagico, " disse Liù.

Gli scienziati hanno introdotto i loro quattro composti modello CRAM in campioni di acqua di mare del mesopelagico e hanno osservato i risultati. A vari intervalli di tempo, hanno analizzato le concentrazioni di carbonio organico disciolto e hanno contato il numero totale di cellule batteriche usando un microscopio. Il gruppo ha anche utilizzato sonde molecolari che hanno preso di mira sei specifiche linee di microbi per determinare quanto stesse crescendo ciascuna linea rispetto alla crescita cellulare totale nel campione. Questo ha detto loro quale di questi gruppi era più attivo.

I ricercatori hanno usato questi composti in concentrazioni di ordini di grandezza maggiori di quelle che i microbi avrebbero mai visto in natura. "Stavamo adottando un approccio di arricchimento sperimentale, " ha detto Carlson. "Se glielo diamo a concentrazioni elevate, lo useranno? E se lo usano, chi lo usa?"

Hanno scoperto che, nonostante le caratteristiche comuni dei composti, la loro disponibilità ai microbi differiva tra i vari lignaggi. "Alcuni dei composti sono stati utilizzati molto facilmente, " ha detto Carlson, "mentre altri erano più resistenti al degrado, come la lignina e l'acido umico."

L'esperimento ha anche confermato l'ipotesi del team che i microbi che sono relativamente più comuni nel mesopelagico, piuttosto che la superficie dell'oceano, erano in grado di scomporre e utilizzare questi composti duri. Questa scoperta era stata precedentemente implicata dagli studi genomici dei loro coautori e collaboratori Stephen Giovannoni e Jimmy Saw dell'Oregon State University.

Liu e Carlson, tra gli altri ricercatori, ipotizzare che la zona mesopelagica ospiti una distinta comunità di microbi con la capacità di sfruttare il materiale non toccato dai microbi che vivono sopra. I batteri di superficie devono spendere più energia per sequestrare nutrienti come azoto e fosforo, che sono scarse nell'alto oceano. Al contrario, il plancton fotosintetico che vive nella superficie illuminata dal sole fornisce carbonio facilmente digeribile. Di conseguenza, i microbi di superficie probabilmente usano le forme più accessibili di carbonio invece di assorbire energia in composti organici più resistenti.

Nel frattempo, azoto e fosforo sono abbondanti più in profondità nella zona mesopelagica, secondo i ricercatori. Di conseguenza, i microbi che vivono lì possono avere le risorse e l'energia da investire nella decomposizione e nell'assorbimento di forme più recalcitranti di carbonio, come i CRAM.

Proprio adesso, la relazione tra la degradazione delle CRAM e la presenza di alcuni microbi nella zona mesopelagica è solo una correlazione, Li ha spiegato. Spera di stabilire un nesso causale tracciando il carbonio dai composti CRAM mentre si degradano e vedendo se è assorbito dai microbi che studia.

Liu e Carlson hanno in programma di utilizzare composti e concentrazioni più simili all'acqua di mare reale nei prossimi esperimenti. Uno dei loro colleghi sta impiegando la spettrometria di massa per caratterizzare i composti organici disciolti nell'acqua di mare, compresi alcuni CRAM. Una volta identificate le caratteristiche di questi composti, Liu può utilizzare metodi simili per estrarre componenti organici dall'ambiente e condurre un esperimento simile.

"I microbi sono gli organismi che guidano questi grandi cicli biogeochimici, " disse Carlson. "Ce ne sono così tanti, crescono così velocemente, e si girano così in fretta. Possono trasformare le distribuzioni chimiche di interi ecosistemi. Studiare ciò che controlla la crescita degli organismi più piccoli dell'oceano ha grandi implicazioni sul modo in cui i cicli chimici sono governati nell'oceano».