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Attività di ricerca

Lo scopo del Centro Biologia Alpina di Piora (CBA) è quello di promuovere l'insegnamento universitario, la ricerca scientifica e la divulgazione dei risultati delle indagini svolte nella regione della val Piora. Il laboratorio microbiologia applicata della SUPSI (LMA-SUPSI) assicura il supporto scientifico al CBA per attività legate soprattutto alla microbiologia ambientale.

Infatti, ogni anno il LMA-SUPSI grazie anche al “Laboratoire d’écologie microbienne” del dipartimento di biologia vegetale (BVEG) dell’università di Ginevra organizza al CBA dei corsi universitari teorici e pratici in ecologia microbica (Hydrobiologie microbienne) e corsi dottorali (MUSE e CUSO).

Inoltre, ricerche scientifiche svolte in Piora, coordinate dal LMA-SUPSI in collaborazione soprattutto con gli atenei di Ginevra e Zurigo, sono finanziate anche dal Fondo Nazionale Svizzero (FNS) per la ricerca. Attualmente il FNS sta finanziando un progetto di cui l’obiettivo principale è quello di studiare gli effetti del processo di bioconvezione sull’eco-fisiologia delle specie microbiche principali del chemoclino (BIOCAD 2018-22).

Ecologia microbica e molecolare di microrganismi in sistemi idrici stratificati

 

Le conoscenze sui diversi organismi del Lago di Cadagno vengono correlate ai cicli biogeochimici dei composti più importanti, in particolare dello zolfo, ai flussi di energia ed alle trasformazioni metaboliche; ciò permette un approccio globale alla rete di processi presenti nei sistemi acquatici complessi.

La vena di dolomia (Sacca di Piora o Pioramulde) presente nella Val Piora e riportata dai media per i possibili problemi relativi alla realizzazione del traforo Alptransit, arricchisce una parte delle acque della Val Piora di sali minerali (carbonati, magnesio, solfati ecc.). Queste acque sgorgano da sorgenti sottolacustri e si stratificano sul fondo del Lago di Cadagno. Ne risulta una stratificazione permanente, o meromissi, del corpo d'acqua con la formazione di due strati, uno superficiale (da 0 m a 12 m di profondità) composto da acque povere di sali e contenenti ossigeno, sovrapposto ad uno strato anossico (da 12 m alla profondità massima di 21 m). Una zona di transizione fra ossico ed anossico, comunemente chiamata chemoclino, è presente a circa 12 m; in essa si trovano le condizioni ideali (luce, assenza di ossigeno, presenza di solfuri) per lo sviluppo massiccio di una comunità di batteri sulfurei fototrofi anaerobici legati al ciclo dello zolfo che rappresentano una produzione primaria aggiuntiva, oltre a quella delle alghe dello strato superficiale. Proprio grazie all’attività fotosintetica di questi batteri del chemoclino, il Cadagno può sostenere la presenza di molti più pesci rispetto ad un comune laghetto alpino, rendendolo così molto amato dai pescatori.

Questa zona di transizione presenta inoltre una stratificazione verticale relativamente stabile di popolazioni batteriche adattate a profondità diverse (ad esempio i batteri fototrofi sulfurei, i chemoorganotrofi, i batteri ossidanti il metano e il solfuro, i batteri riducenti il solfato, il nitrato, gli ossidi di ferro e manganese, i metanogeni, ecc.). Questo fenomeno naturale, chiamato meromissi crenogenica, risulta particolarmente interessante poiché offre la possibilità di seguire i processi di produzione e mineralizzazione della biomassa allo stato naturale. Il grosso vantaggio che offre il Lago di Cadagno è che la stratificazione delle reazioni e delle popolazioni batteriche citate è presente su circa 2 metri di spessore, quindi facilmente campionabili. Nei laghi che non presentano questo fenomeno di stratificazione delle acque questi processi avvengono generalmente fra il corpo d'acqua e i sedimenti su uno spazio di pochi centimetri e dunque con maggiori difficoltà metodologiche d'indagine.

La meromissi crenogenica del Lago di Cadagno rappresenta un fenomeno unico su tutto l'Arco alpino ed un fenomeno raro a livello mondiale; la sua importanza risiede nel fatto di rappresentare un habitat naturale di elevata biodiversità microbica che funge da modello ideale per la comprensione del ruolo dei microorganismi nei cicli biogeochimici globali. Il concetto di biodiversità ambientale a livello di organismi microscopici è generalmente poco conosciuto ma sta assumendo sempre più importanza a seguito dello sviluppo di metodologie specifiche nell'ambito molecolare che permettono analisi mirate, puntuali e di grande precisione.

L'obiettivo maggiore degli studi di ecologia microbica presso il LMA-SUPSI è l'analisi e la caratterizzazione della composizione, della distribuzione spaziale e temporale di specie chiave come pure lo studio della diversità delle popolazioni microbiche maggiori, e della loro attività fisiologica all'interno dei diversi comparti del lago.

Progetti in corso

 

LMA-SUPSI

 

Bioconvection-mediated microbial ecophysiology in aquatic systems - Multi-scale dynamics in the chemocline of meromictic Lake Cadagno


Il lago di Cadagno presenta durante tutto l’arco dell’anno una stratificazione permanente delle sue acque, lo strato d’acqua superiore contenente ossigeno è posto sopra uno strato anossico molto ricco in sali disciolti. Batteri sulfurei rossi (PSB) anaerobici della specie Chromatium okenii si sviluppano all’interfaccia dei due strati dove sono in grado di mescolare considerevoli volumi d'acqua, non agitandola direttamente con i loro flagelli ma raggruppandosi alla ricerca di luce in una zona ristretta in prossimità del fronte di diffusione dell’ossigeno. Così facendo la densità per volume aumenta e l’acqua inizia a scendere portando con sé i microorganismi in un processo noto come bioconvezione.

L’obiettivo principale di questo progetto (dottorato Francesco Di Nezio UNIGE e PostDoc Nicola Storelli SUPSI) è quello di studiare gli effetti del processo di bioconvezione sull’eco-fisiologia delle specie microbiche chiave in ambienti acquatici. Grazie ad un approccio multidisciplinare verranno dapprima determinate le condizioni chimico-fisiche ambientali necessarie allo sviluppo ottimale dei microorganismi. In seguito, gli effetti eco-fisiologici della bioconvezione verranno investigati tramite l’allestimento di microcosmi in laboratorio e analisi effettuate direttamente nel lago (grazie alle strutture del centro di biologia alpina in Piora). Alla fine di questo progetto potremo finalmente porre le basi per la comprensione delle conseguenze della bioconvezione sull’intero ecosistema del lago.

Si presume che i batteri sulfurei fototrofi anaerobici studiati in questo progetto siano tra le prime forme di vita apparse sulla Terra, quando l’ossigeno non era ancora presente. Questi microorganismi primitivi potrebbero quindi rappresentare il punto di partenza di tutto il processo evolutivo che ha portato ad una massiccia ed eterogenea presenza di vita sul nostro pianeta. Il confronto e le interazioni di diverse specie di solfobatteri fototrofi molto simili dal punto di vista ecologico, ma molto differenti nella fisiologia, svelerà dettagli importanti su tre distinte linee evolutive delle 3 popolazioni batteriche principali del lago.

 

 

 

CO2 and H2S assimilation rate of most important phototrophic sulfur bacteria from the Lake Cadagno chemocline


Lo scopo di questo progetto (master Clarisse Beney UNIGE) è di analizzare la diversa velocità di ossidazione del solfuro (H2S) e la efficacia di assimilazione dell’anidride carbonica (CO2) per le più importanti popolazione di batteri sulfurei fototrofi anaerobici che vivono nella chemoclino del lago di Cadagno, ossia i batteri rossi (PSB) Chromatium okenii LaCa, “Thiodictyon syntrophicum” Cad16T e il battere verde (GSB) Chlorobium pheobacteroides.

La velocità ed affinità di ossidazione sarà misurata per ognuno dei 3 microorganismi a differenti intensità di luce e concentrazioni di H2S di partenza. Per queste misure verrà usato un micro-respiratore in grado di misurare in tempo reale la minima fluttuazione di H2S (SULF sensor UNISENSE). Inoltre, sarà anche interessante valutare altri donatori di elettroni come il tiosolfato (S2O32-), oltre che l'uso dell'S0 stoccato intracellularmente per PSB o espulso al esterno per GSB.

La capacità effettiva e il tasso di fissazione della CO2 saranno valutati per i tre microorganismo in differenti condizioni in laboratorio, tra cui microaerofilia (<5% O2) e buio continuo, e poi durante l’estate direttamente nel lago grazie all’utilizzo di sacchi di dialisi. Lo studio sarà inoltre completato con analisi trascrittomica soprattutto per confrontare il metabolismo in presenza di luce con quello all’oscurità. Quest’analisi dovrebbe svelarci finalmente i processi metabolici che permettono una buona attività di fissazione della CO2 in assenza di luce.

 

 

Dinamica delle popolazioni


Durante gli ultimi 25 anni si sono sviluppate ed applicate tecniche di identificazione batterica sempre più efficaci che sono poi state validate e standardizzate in modo da essere disponibili come servizio presso LMA-SUPSI (identificazione e tipizzazione di microorganismi ambientali). La dinamica delle popolazioni batteriche, soprattutto di quelli fototrofi, è fondamentale per struttura e l’attività ecologica del lago. Proprio per mantenere traccia della dinamica delle popolazioni microbiche nel lago di Cadagno, ogni anno si pianifica (ricercatori LMA Samuele Roman e Nicola Storelli) ad inizio, metà e fine stagione un monitoraggio completo per i valori chimici con kit spectroqunt MERCK, fisici grazie alla sonda multiparametrica CTD Sea and Sun e biologici tramite fluorescence in situ hybridisation (FISH) e citometria di flusso.

 

 

Progetti conclusi

 

LMA-SUPSI

 

Functional genomics of purple sulfur bacteria from Lake Cadagno

Il progetto di dottorato di Samuel Lüdin (2018 UNIGE) era focalizzato principalmente sulla genomica e proteomica dei principali batteri sulfurei fototrofi anaerobici presenti nel lago di Cadagno. Durante la sua tesi Lüdin è riuscito a completare la sequenza cromosomica e plasmidica di 2 specie molto importanti per l’ecologia del lago come il PSB “Thiodictyon syntrophicum” strain Cad16T e il PSB Chromatium okenii strain LaCa. La conoscenza genetica della comunità degli batteri sulfurei fototrofi anaerobici apre le porte a future analisi più dettagliate di meta-proteomica (o meta-trascrittomica) con lo scopo di incrementare la conoscenza dell’importanza ecologica di questo particolare tipo di microorganismi. Una delle caratteristiche principali di questa specie è la grande capacità di fissare il CO2 non solo in presenza di luce, ma anche al buio. Per questa ragione, nonostante “T. syntrophicum” strain Cad16T rappresenti solo circa il 2% della comunità totale di batteri sulfurei fototrofi anaerobici, contribuisce a quasi il 25% alla produzione primaria totale nel del lago di Cadagno. Ulteriori studi sul metabolismo del PSB “T. syntrophicum” strain Cad16T hanno messo in evidenza fattori espressi in modo differenziale in condizioni di luce e di buio che potranno ora essere meglio interpretati grazie alla conoscenza genomica completa. Inoltre queste ricerche pongono le basi per la messa a punto di esperimenti mirati in laboratorio e in situ volti alla comprensione del ruolo di questi importanti microorganismi nell’ecosistema del Lago di Cadagno. Il progetto è stato svolto in collaborazione con il Laboratorio di Spiez (Dr. M. Wittwer), la scuola universitaria professionale di Zurigo-Wädenswil ZHAW (Dr. J. Pothier), la ditta Mabritec (Dr. V. Pflüger) e l’Università di Ginevra (Prof. M. Goldschmidt-Clermont e Prof. M. Hothorn).

(https://archive-ouverte.unige.ch/unige:108895)

 

Flow cytometry as a tool to investigate the anoxygenic phototrophic sulfur bacteria coexistence in the chemocline of meromictic Lake Cadagno

Il lavoro di dottorato di Francesco Danza (2018 UNIGE) era incentrato principalmente sull’utilizzo della citometria di flusso per il riconoscimento rapido e il conteggio dei batteri sulfurei fototrofi anaerobici del lago di Cadagno. Inoltre, grazie al cambio di complessità cellulare legata all’accumulo di globuli di zolfo (S0) durante la fotosintesi anaerobica, è stato possibile applicare la citometria di flusso anche per valutare l’attività metabolica di ogni singola cellula. Attraverso la citometria di flusso, si è cercato di comprendere alcuni comportamenti delle popolazioni sia a livello globale che individuale. L’idea era di trasferire il modello ottenuto con i dati di laboratorio nel sistema più complesso dell’ambiente naturale nel quale questi microorganismi vivono in presenza di altre specie. L’efficacia e la precisione della citometria di flusso è stata anche determinante per correlare la turbolenza, misurata dal gruppo di ricerca del Professor Johny Wuest del EPFL, e l’attività motoria della specie Chromatium okenii. Le misure direttamente condotte nel lago di Cadagno applicate alle simulazioni matematiche hanno prodotto una pubblicazione scientifica sul giornale scientifico “Geophysics Research Letters”, mostrando e validando per la prima volta un processo di “bioconvezione” in natura (prima il fenomeno era stato osservato solo in laboratorio). Questo lavoro si è inserito in una collaborazione comprendente il gruppo “Surface Waters” dell’EAWAG, quello di microfluidica del ETHZ e il gruppo di Biogeochimica dell’Istituto Max Planck di Brema.