Terreni di torba come batteria

Le torbiere presentano un'elevata percentuale di sostanze umiche, prodotte durante la decomposizione della materia vegetale morta. In condizioni di assenza di ossigeno, i batteri del suolo possono utilizzare questi composti organici per il loro metabolismo energetico, in particolare come ricevitori di elettroni. Questo perché durante il metabolismo si liberano elettroni che devono essere rilasciati dagli organismi. L'ossigeno svolge il ruolo di ricevitore di elettroni in molti organismi viventi (compresi noi esseri umani).

A metà degli anni '90, tuttavia, i ricercatori hanno dimostrato che in condizioni di assenza di ossigeno, come quelle che si trovano nei terreni umidi di torba o nei sistemi di sedimenti, le sostanze umiche possono anche assorbire elettroni. Tuttavia, la capacità di assorbimento di queste molecole è limitata. Se non sono più in grado di assorbire gli elettroni liberi, i batteri cercano altri destinatari, come l'anidride carbonica. Se i microrganismi "respirano" l'anidride carbonica, come prodotto di scarto del metabolismo viene prodotto il metano, un gas serra molto potente. Di conseguenza, le zone umide come le torbiere contribuiscono al 15-40% del rilascio globale di metano. Tuttavia, il rilascio di metano in molte zone umide è inferiore a quanto ci si aspetterebbe in base all'area coperta da questi ecosistemi e all'attività microbica in questi sistemi.

In uno studio pubblicato su "Nature Geoscience", i ricercatori guidati da Michael Sander, scienziato senior del gruppo di chimica ambientale del professor Kristopher McNeill dell'ETH, hanno ora identificato un processo che può spiegare il rilascio relativamente basso di metano.

Gli elettroni passano all'ossigeno

Utilizzando un sistema modello, hanno dimostrato che la capacità di assorbimento degli elettroni delle sostanze umiche può essere rigenerata se il sistema viene temporaneamente rifornito di ossigeno. Di conseguenza, gli organi rilasciano all'ossigeno gli elettroni raccolti in condizioni di assenza di ossigeno, aumentando così la capacità di assorbimento delle sostanze umiche fino al valore iniziale. Quando l'ossigeno viene nuovamente escluso, i batteri possono utilizzare nuovamente le sostanze umiche come ricevitori di elettroni invece di trasferirli all'anidride carbonica. In questo modo, questo ciclo impedisce ai microrganismi dei sistemi naturali con un'alta percentuale di sostanze organiche di produrre permanentemente grandi quantità di metano.

Nel loro modello di laboratorio, i ricercatori hanno utilizzato il batterio Shewanella oneidensis MR-1, isolato originariamente dai sedimenti di un lago di New York e facile da coltivare in laboratorio. Questo batterio è anaerobico facoltativo, cioè può vivere sia in condizioni di assenza di ossigeno sia in presenza di ossigeno. Gli scienziati hanno utilizzato varie sostanze umiche ben studiate come recettori di elettroni.

Meccanica comparabile nelle torbiere

I risultati di questo studio aiuteranno a comprendere meglio le dinamiche del carbonio nelle zone umide naturali che vengono periodicamente deossigenate. Il meccanismo ora descritto avviene su larga scala, ad esempio nelle torbiere alte o nei sedimenti. Se, ad esempio, il livello dell'acqua in una torbiera si abbassa temporaneamente, l'ossigeno entra in questo sistema. Le abbondanti sostanze umiche presenti, che in precedenza immagazzinavano elettroni in assenza di ossigeno, possono rilasciarli e rigenerare la loro capacità di assorbimento. In questo modo, tali sistemi ambientali funzionano come gigantesche batterie che si caricano e si scaricano periodicamente. Questa alternanza sopprime a sua volta la formazione di metano.

Sander e i suoi coautori hanno anche calcolato le percentuali di quanto metano supplementare verrebbe rilasciato in atmosfera dalle torbiere se la capacità di assorbimento delle sostanze umiche non venisse rigenerata. In primo luogo hanno stimato per le torbiere quanti elettroni queste molecole organiche possono assorbire dal metabolismo batterico. La loro conclusione: se gli elettroni in eccesso non venissero trasferiti alle sostanze umiche ma all'anidride carbonica, dalle zone umide potrebbe fuoriuscire fino al 166% in più di metano oltre all'"emissione di base" misurata. "Questo dimostra che il trasferimento di elettroni alle sostanze umiche e la loro rigenerazione sono un fattore ambientale significativo", afferma Sander. Per comprendere ancora meglio questo processo, i ricercatori lo studieranno in laboratorio e la prossima estate in una torbiera naturale rialzata nella Svezia centrale.