Una nuova ricerca dell’Università di Chicago, pubblicata su Nature, dimostra che un semplice modello matematico è in grado di prevedere la risposta del suolo ai cambiamenti ambientali. Proprio come qualsiasi organismo vivente, il suolo ha un proprio metabolismo. Piante, vermi, insetti e, soprattutto, i microrganismi presenti nel suolo, scompongono la materia organica, consumano e generano nutrienti ed elaborano altri materiali per conferire al suolo una vita propria.
I microbiomi del suolo, che guidano gran parte del metabolismo in questi ecosistemi, sono immensamente complessi e comprendono migliaia di specie con interazioni e dinamiche incalcolabili. Data la complessità del suolo, tuttavia, può essere quasi impossibile comprendere come le comunità microbiche che lo abitano rispondano ai cambiamenti ambientali, come temperatura, umidità, acidità e disponibilità di nutrienti. Risolvere questo problema è fondamentale se vogliamo comprendere come i microbiomi del suolo si adattino alle mutevoli condizioni ambientali e ai cambiamenti climatici.
“Quando si pensa a questi ecosistemi, si dà per scontato che si debba scrivere una descrizione matematica dell’intero sistema, che coinvolge migliaia di variabili, specie interagenti e le risorse che consumano – ha affermato Seppe Kuehn, PhD, professore di Ecologia ed Evoluzione presso l’Università di Chicago e autore principale dello studio – quindi, il fatto di essere riusciti a descriverlo in modo semplice è stato estremamente appagante a livello intellettuale”.
Il nuovo studio è il risultato principalmente degli sforzi di Kiseok Lee, uno studente laureato del laboratorio di Kuehn. Ha campionato 20 terreni che presentano ampie variazioni naturali di pH ma poche differenze in altri fattori ambientali. Successivamente, ha manipolato il pH di ciascun terreno nativo con piccoli incrementi in laboratorio, realizzando 1.500 esperimenti di microcosmo. Il pH è una misura della concentrazione di ioni idrogeno in una soluzione. Un pH più basso significa più acido (più ioni idrogeno), mentre un pH più alto significa più basico o alcalino (meno ioni idrogeno). I livelli di pH nel terreno sono importanti perché influenzano i tipi di microrganismi che vi vivono, la loro attività metabolica e la chimica del terreno. I ricercatori volevano testare gli effetti delle variazioni di pH sulla respirazione anaerobica dei nitrati, il processo mediante il quale i microbi anaerobici (cioè quelli che non necessitano di ossigeno) utilizzano i nitrati per generare energia. La respirazione dei nitrati è un processo metabolico chiave in agricoltura e per la salute del suolo. Lee ha meticolosamente disposto i campioni su piastre, ciascuna con 48 pozzetti per contenere il terreno, insieme ad acqua, nitrati e una soluzione acida o basica per modificarne il pH. La preparazione e l’incubazione dei campioni hanno richiesto mesi. Successivamente, Lee ha effettuato misurazioni temporali dei nitrati in ogni microcosmo, per un totale di 15.000 misurazioni, tutte a mano.
“Ero io la macchina” ha detto Lee, quando gli è stato chiesto se fosse in grado di automatizzare parte del campionamento e delle analisi. Lee e Kuehn e gli altri autori hanno creato poi un modello per descrivere le dinamiche di ciascuno dei 1.500 campioni durante il metabolismo del nitrato. Hanno scoperto che un modello semplice prevedeva l’attività con soli due parametri: l’attività della biomassa indigena e la quantità disponibile di nutrienti limitanti la crescita. A seconda di come veniva modificato il pH, hanno ottenuto tre risultati coerenti: Regime I, o “regime di morte acida”: grandi cambiamenti verso l’acidità hanno causato la morte della biomassa funzionale; Regime II, “regime limitante i nutrienti”: durante i cambiamenti moderati, acidi o basici, il metabolismo dei nitrati è stato limitato dalla disponibilità di un nutriente limitante (carbonio), con conseguente dinamica lineare dei nitrati; Regime III, “regime di crescita risorgente”: grandi cambiamenti verso le condizioni di base hanno causato la riduzione dell’attività dei gruppi dominanti di microbi, mentre gruppi rari sono cresciuti rapidamente e hanno metabolizzato il nitrato in modo esponenziale.
“Non importa quanto si alteri il pH, ci sono solo queste tre classi dinamiche di comportamento che l’intero ecosistema può manifestare. Al di fuori di queste, sembra che non sia consentito nient’altro – ha detto Kuehn – davvero sorprendente, perché tutta questa complessità al livello inferiore dà origine a questa relativa semplicità al livello superiore”.
Comprendere come il microbioma del suolo risponde a questi cambiamenti è utile per progettare interventi ad hoc. Ad esempio, se il deflusso di fertilizzanti azotati dalle aziende agricole contamina i corsi d’acqua circostanti, le autorità potrebbero adottare misure per aumentare il pH e rimuovere i nitrati in eccesso per prevenire la proliferazione algale. (AGI)
SCI/SIM