Roma – Quando i microbi del suolo mangiano la materia vegetale, il cibo digerito segue uno dei due percorsi. O il microbo usa il cibo per costruire il proprio corpo, oppure respira il suo pasto sotto forma di anidride carbonica (CO 2 ) nell’atmosfera.
Ora, un gruppo di ricerca guidato dalla Northwestern University ha, per la prima volta, tracciato i percorsi di una miscela di rifiuti vegetali mentre si muove attraverso il metabolismo dei batteri per contribuire alla produzione di CO 2 atmosferica . I ricercatori hanno scoperto che i microbi respirano tre volte più CO2 dai carboni della lignina (unità aromatiche non zuccherine) rispetto ai carboni della cellulosa (unità zucchero-glucosio), che aggiungono struttura e supporto alle pareti cellulari delle piante.
Questi risultati aiutano a districare il ruolo dei microbi nel ciclo del carbonio nel suolo: informazioni che potrebbero aiutare a migliorare le previsioni su come il carbonio nel suolo influenzerà il cambiamento climatico.
La ricerca sarà pubblicata martedì (11 giugno) sulla rivista Environmental Science & Technology.
“La quantità di carbonio immagazzinata nel suolo è circa 10 volte superiore a quella presente nell’atmosfera”, ha affermato Ludmilla Aristilde della Northwestern University , che ha guidato lo studio. “Ciò che accadrà a questo bacino avrà un impatto enorme sul pianeta. Poiché i microbi possono sbloccare questo carbonio e trasformarlo in CO 2 atmosferica , c’è un grande interesse nel capire come metabolizzano i rifiuti vegetali. Con l’aumento delle temperature, nel suolo sarà disponibile più materia organica di diverso tipo. Ciò influenzerà la quantità di CO2 emessa dalle attività microbiche”.
Esperta nella dinamica dei composti organici nei processi ambientali, Aristilde è professore associato di ingegneria civile e ambientale presso la McCormick School of Engineering della Northwestern ed è membro del Center for Synthetic Biology e del Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy . Caroll Mendonca, ex Ph.D. candidato nel laboratorio di Aristilde, è il primo autore dell’articolo. Lo studio comprende collaboratori dell’Università di Chicago.
“Non tutti i percorsi sono uguali”
Il nuovo studio si basa sul lavoro in corso nel laboratorio di Aristilde per capire come il suolo immagazzina – o rilascia – carbonio . Sebbene i ricercatori precedenti in genere monitorassero il modo in cui i composti scomposti della materia vegetale si muovono individualmente attraverso i batteri, il team di Aristilde ha invece utilizzato una miscela di questi composti per rappresentare a cosa sono esposti i batteri nell’ambiente naturale. Quindi, per monitorare il modo in cui i diversi derivati vegetali si muovevano attraverso il metabolismo di un batterio, i ricercatori hanno etichettato i singoli atomi di carbonio con etichette isotopiche.
“L’etichettatura isotopica ci ha permesso di tracciare gli atomi di carbonio specifici per ciascun tipo di composto all’interno della cellula”, ha detto Aristilde. “Tracciando le rotte del carbonio, siamo stati in grado di catturare i loro percorsi nel metabolismo. Questo è importante perché non tutti i percorsi sono creati allo stesso modo in termini di produzione di anidride carbonica”.
I carboni dello zucchero nella cellulosa, ad esempio, viaggiavano attraverso le vie glicolitica e pentoso-fosfato. Questi percorsi portano a reazioni metaboliche che convertono la materia digerita in carbonio per produrre DNA e proteine, che costruiscono la biomassa del microbo. Ma i carboni aromatici, non zuccherini, provenienti dalla lignina hanno percorso un percorso diverso, attraverso il ciclo dell’acido tricarbossilico.
“Il ciclo dell’acido tricarbossilico esiste in tutte le forme di vita”, ha detto Aristilde. “Esiste nelle piante, nei microbi, negli animali e negli esseri umani. Sebbene questo ciclo produca anche precursori per le proteine, contiene diverse reazioni che producono CO 2 . La maggior parte della CO2 che viene respirata dal metabolismo proviene da questo percorso”.
Ampliare i risultati
Dopo aver tracciato le vie del metabolismo, Aristilde e il suo team hanno eseguito un’analisi quantitativa per determinare la quantità di CO 2 prodotta da diversi tipi di materia vegetale. Dopo aver consumato una miscela di materia vegetale, i microbi hanno respirato tre volte più CO2 dai carboni derivati dalla lignina rispetto ai carboni derivati dalla cellulosa.
“Anche se i microbi consumano questi carboni allo stesso tempo, la quantità di CO2 generata da ciascun tipo di carbonio è sproporzionata”, ha detto Aristilde. “Questo perché il carbonio viene elaborato attraverso due diversi percorsi metabolici.”
Negli esperimenti iniziali, Aristilde e il suo team hanno utilizzato Pseudomonas putida , un comune batterio del suolo con un metabolismo versatile. Curiosi di vedere se le loro scoperte si applicassero ad altri batteri, i ricercatori hanno studiato i dati di precedenti esperimenti presenti nella letteratura scientifica. Hanno scoperto la stessa relazione che avevano scoperto tra la materia vegetale, il metabolismo e la CO 2 manifestata in altri batteri del suolo.
“Proponiamo una nuova prospettiva guidata dal metabolismo per pensare a come vengono elaborate le diverse strutture di carbonio accessibili ai microbi del suolo”, ha affermato Aristilde. “Questo sarà fondamentale per aiutarci a prevedere cosa accadrà al ciclo del carbonio nel suolo con un clima che cambia”.
Lo studio, “L’efflusso sproporzionato di anidride carbonica nelle vie metaboliche batteriche per diversi substrati organici porta a un contributo variabile all’efficienza nell’uso del carbonio”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation (numeri di sovvenzione CBET-1653092 e CBET-2022854).(30Science.com)
