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Activité de recherche

Parecchie ricerche svolte in Piora, condotte congiuntamente dall’Istituto cantonale di microbiologia con le due università di Ginevra e Zurigo, sono state finanziate dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica.

Regolarmente ogni anno il “Laboratoire d’écologie microbienne” dell’Università di Ginevra, con sede presso l’Istituto cantonale di microbiologia (ICM), organizza al Centro Biologia Alpina dei corsi a livello universitario sottoforma di stages pratici in ecologia microbica e alpina e in microbiologia applicata (Hydrobiologie alpine et microbienne, Maîtrise Universitaire en Sciences naturelles de l’Environnement MUSE).

Ecologia microbica e molecolare di microrganismi in sistemi idrici stratificati

 

Questo ambito della ricerca dell'Istituto cantonale di microbiologia (ICM) è legato all'attività di insegnamento e di gestione al Centro Biologia Alpina di Piora. La ricerca è centrata sull'ecologia delle comunità batteriche presenti nei diversi comparti (colonna d'acqua, sedimenti) del Lago di Cadagno. L'obiettivo maggiore 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.

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24-25 luglio 2010

LE "48 ORE DELLA BIODIVERSITA' "

Due giornate dedicate a specialisti, con conferenze, rilevamenti, determinazioni tassonomiche, reportage fotografico e servizio televisivo. Organizzate in collaborazione con il Museo cantonale di storia naturale (MCSN) e la Società Ticinese di Scienze Naturali (STSN).

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Progetti in corso

Laboratorio di ecologia microbica Uni-Ge/ICM

 

Ricerca interdisciplinare sui sedimenti anossici del Lago di Cadagno. Questa ricerca permette l'indagine sugli smottamenti subiti e viene abbinata alla storia dell'evoluzione, delle popolazioni microbiche che si sono avvicendate nel lago.

In particolare un progetto di ricerca post dottorale si è occupato dell'estrazione di DNA subfossile da campioni provenienti da varie profondità del sedimento anossico. La quantificazione delle sequenze subfossili di RNA ribosomale di diverse popolazioni di batteri fototrofi sulfurei ha permesso di metterne in evidenza la loro presenza in tutto il sedimento. Le popolazioni batteriche mostrano variazioni nella concentrazione a seconda della profondità alle quali sono state trovate, indicando l'esistenza di cambiamenti importanti nel corso della storia biologica del lago. E' in corso la datazione della carota di 10 metri di sedimento che corrisponde alla storia biologia di 10'000 anni.

 

Ruolo dei batteri purpurei nella produzione primaria del Lago di Cadagno. Lo scopo del progetto consiste nel cercare di comprendere il ruolo ecologico di sulfobatteri purpurei nel metabolismo del Lago di Cadagno, soprattutto per quel che riguarda la produzione primaria (assimilazione del CO2), tramite esperimenti sul ceppo Thiodictyon sp. Cad16, isolato dal chemoclinio del lago che rappresenta una popolazione chiave dell'ecostistema.

 

Formazione dell’aggregato batterico nel lago di Cadagno.  Nel chemoclino (11-14 m) del lago di Cadagno parte della comunità microbica cresce formando una struttura denominata aggregato; questo è composto da due specie batteriche: batteri rossi sulfurei della famiglia Chromatiaceae (Thiodictyon sp.) e batteri solfato riducenti della famiglia Desulfovibrionaceae (Desulfocapsa thiozymogenes). La stretta associazione di aggregazione è specie specifica ma non obbligatoria e risulta essere un vantaggio per la sopravvivenza di entrambe le specie coinvolte. Il progetto si focalizza sull’individuazione delle condizioni chimico-fisiche che inducono la formazione dell’aggregato e comprenderne la struttura (studi tridimensionali mediante microscopia confocale) per chiarire il ruolo eco-fisiologico.

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Cicli biogeochimici del lago

 

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 del corpo d'acqua con la formazione di due strati, uno superficiale (da 0 m a 11 m di profondità) composto da acque povere di sali e contenenti ossigeno, sovrapposto ad uno strato anossico (da 11 m alla profondità massima di 21 m).

Una zona di transizione fra ossico ed anossico è perciò presente a circa 10-13 m; in essa si trovano le condizioni ideali (luce, assenza di ossigeno, presenza di solfuri) per lo sviluppo massiccio di una comunità batterica comprendente batteri fotosintetici sulfurei legati al ciclo dello zolfo che rappresentano una produzione primaria aggiuntiva, oltre a quella delle alghe dello strato superficiale. 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.

Considerato che le attività di formazione devono sempre essere supportate da un'attività di ricerca continua ed aggiornata, a partire dal 1992 I'ICM ha deciso di riprendere ed incentivare, anche al di fuori dei corsi di formazione, le ricerche volte alla comprensione della microbiologia del Lago di Cadagno. Oltre a metodi classici, importanti per il confronto con dati pregressi e con altri ecosistemi, sono state sviluppate nuove tecniche su basi molecolari e biofisiche, in particolare le tecniche molecolari di detezione in situ, che permettono di ottenere una specificità maggiore ed un'elevata risoluzione nello spazio e nel tempo.

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L'introduzione di metodi di analisi diretta o "in situ" con il microscopio a fluorescenza fu decisa dopo i primi lavori degli anni '80, basati sui metodi classici della microbiologia ambientale, vista l'esigua percentuale di batteri coltivabili (<0.1 %) nei campioni prelevati dal lago rispetto ai batteri presenti effettivamente. Grazie alla collaborazione con il CNR-Istituto di Ricerca per gli Ecosistemi di Pallanza, ai conteggi dei batteri coltivabili si sono affiancati i conteggi diretti dei batteri totali dopo colorazione degli acidi nucleici. Con queste metodologie è stato possibile scoprire ed enumerare separatamente morfotipi batterici particolari ed abbondanti nei diversi strati del lago (lavoro di diploma J.-C Bensadoun). L'acquisizione della tecnica di "Whole Cell Hybridization (WCH)" in collaborazione con l'istituto di Ecologia Terrestre del Politecnico di Zurigo (D. Hahn) e con l'Università Tecnica di Monaco di Baviera e l'Istituto Max Planck di Brema (R. Amann) ha dato l'avvio all'introduzione dei metodi molecolari di detezione "in situ" applicati ai campioni del Lago di Cadagno. I primi conteggi dopo ibridazione cellulare furono effettuati durante il 1994.

Nel 1995 l'introduzione dell'amplificazione automatizzata degli acidi nucleici (PCR) e del loro sequenziaggio ha permesso di avviare i primi lavori di amplificazione e clonazione dei geni codanti per gli RNA ribosomali 16S aprendo così ampie possibilità di tipizzazione di ceppi non coltivabili e di analisi delle popolazioni microbiche ambientali dell'ambiente. Questi lavori hanno permesso di sviluppare tecniche di detezione specifiche per i batteri presenti nel Lago di Cadagno con le quali descriverne la distribuzione spazio-temporale. Si sono così scoperte specie di batteri fototrofi e solfatoriducenti mai descritte finora e presenti nella zona di transizione fra gli strati ossico ed anossico del lago.

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Sonde a DNA specifiche per questi batteri sono state sviluppate e costituiscono ora un mezzo ulteriore di analisi puntuali di queste popolazioni. L'analisi delle popolazioni può pure essere effettuata tramite nuove tecniche di separazione degli acidi nucleici quali la "Thermal Gradient Gel Electrophoresis (TGGE)" e la "Denaturing Gel Electrophoresis (DGGE)" (M. Bottinelli) introdotte recentemente all'ICM nell'ambito di due lavori di dottorato (M. Bottinelli, E. Shahn) in collaborazione con la Stazione limnologica dell'EAWAG a Kastanienbaum (B. Wehrli).

La coltivazione e lo studio delle attività metaboliche di questi microrganismi sono correlate con le attività nel loro habitat e aprono la via ad interessanti sviluppi biotecnologici, come la coltivazione di batteri fototrofi con capacità di depurazione dell'acqua da sostanze nocive quali solfuri e ammoniaca o la coltivazione di batteri con capacità di degradazione di sostanze inquinanti difficilmente eliminabili dall'ambiente, come pesticidi, ed in particolare organoalogenati (genere Desulfomonile).

Con le tecniche di isolamento e coltivazione anaerobica per batteri fototrofi (ad esempio Lamprocystis) e solfatoriducenti (ad esempio Desulfocapsa) si è aperta ora lo strada per studi fisiologici in laboratorio combinati con i metodi molecolari.

La nostra attenzione pur mantenendo gli aspetti filogenetici, si è ora maggiormente spostata verso l'analisi delle attività fisiologiche, le interazioni con l'ambiente esterno (acqua di lago) e fra organismi (sintrofie e simbiosi). Recentemente è stato svolto un lavoro di dottorato (S. Peduzzi) in collaborazione con la Rutgers University di Newark, USA (D. Hahn) e I'EAWAG (ETH) di Dúbendorf (A. Zehnder).

In questo ambito è tuttora in corso la valutazione dell'espressione genetica dell'enzima responsabile di fissare il C02 (RuBISCO) nel processo di fotosintesi dei batteri fototrofi tramite la detezione dell'RNA messaggero con il metodo della reazione di amplificazione in tempo reale (real time PCR). I primi risultati positivi fanno ben sperare per l'avvio dell'analisi di enzimi chiave dei metabolismo di questi microorganismi legati al ciclo dello zolfo.

Le esperienze acquisite nel campo dell'ecologia microbica del Lago di Cadagno ci permettono di ampliare i nostri studi su altri ecosistemi ed altre problematiche ambientali e sanitarie. Da citare sono due lavori: un Diploma in Studi Superiori in Scienze Naturali Ambientali in collaborazione con l'Institut F. A. Forel. di Ginevra (Università di Ginevra) ed una Tesi sperimentale di Laurea in Scienze Naturali (Università degli studi di Pavia) che hanno permesso la caratterizzazione ecologica del Lago di Muzzano sull'arco di un anno e la caratterizzazione della specie Microcystis wesenbergii responsabile di una fioritura estiva. Sul ceppo isolato dal lago è stato possibile caratterizzare i geni responsabili della sintesi della tossina (microcistina) e mettere in evidenza la produzione della tossina stessa. Un secondo progetto di dottorato (Università di Ginevra) legato alla biotecnologia svolto in collaborazione con la Fondazione Bolle di Magadino e finanziato dall'Ufficio federale dell'ambiente delle foreste e del paesaggio e dal Canton Ticino, è centrato sull'impatto ecologico ed il transfer genetico del battere Bacillus thuringiensis israelensis, patogeno per la zanzara Aedes vexans, utilizzato nella lotta biologica alle zanzare.

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© Centro Biologia Alpina | last update: 07.09.2011 | Credits

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