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Jul 03, 2023

L’idrogeno e l’ossigeno scuro guidano la produttività microbica in diversi ecosistemi delle acque sotterranee

Nature Communications volume 14, numero articolo: 3194 (2023) Cita questo articolo 6805 Accessi 135 Altmetric Metrics dettagli Circa il 50% del genere umano fa affidamento sulle acque sotterranee come fonte di acqua potabile.

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Circa il 50% dell’umanità fa affidamento sulle acque sotterranee come fonte di acqua potabile. Qui indaghiamo l’età, la geochimica e la microbiologia di 138 campioni di acque sotterranee provenienti da 95 pozzi di monitoraggio (profondità <250 m) situati in 14 falde acquifere in Canada. La geochimica e la microbiologia mostrano tendenze coerenti che suggeriscono cicli aerobici e anaerobici su larga scala dell’idrogeno, del metano, dell’azoto e dello zolfo effettuati da diverse comunità microbiche. Le acque sotterranee più vecchie, specialmente nelle falde acquifere con strati ricchi di carbonio organico, contengono in media più cellule (fino a 1,4 × 107 mL−1) rispetto alle acque sotterranee più giovani, sfidando le attuali stime sull’abbondanza di cellule nel sottosuolo. Osserviamo concentrazioni sostanziali di ossigeno disciolto (0,52 ± 0,12 mg L−1 [media ± SE]; n = 57) nelle acque sotterranee più antiche che sembrano supportare il metabolismo aerobico negli ecosistemi sotterranei su una scala senza precedenti. La metagenomica, le analisi degli isotopi dell'ossigeno e i modelli di miscelazione indicano che l'ossigeno scuro viene prodotto in situ tramite dismutazione microbica. Mostriamo che le antiche acque sotterranee sostengono comunità produttive ed evidenziamo una fonte di ossigeno trascurata negli ecosistemi sotterranei presenti e passati della Terra.

Circa il 2% delle risorse idriche della Terra si trova sotto forma di acque sotterranee, di cui metà sono saline e l'altra metà dolci1. Quest’acqua dolce sotterranea rappresenta circa il 30% delle risorse globali di acqua dolce, sessanta volte di più di quella di tutti i laghi, fiumi e dell’atmosfera messi insieme, e superata solo dalle calotte polari inaccessibili e attualmente ancora ghiacciate1. Le falde acquifere e le fratture rocciose possono anche contenere fino al 30% della biomassa microbica totale sulla Terra2,3, contribuire sostanzialmente alla fissazione del carbonio4 e contenere elevate proporzioni di archaea, batteri e virus non coltivati2,5 con un ampio spettro di stili di vita6. Nonostante la presenza globale di acque sotterranee e l’entità e la diversità della sua biomassa residente, la nostra comprensione della composizione e dell’attività delle comunità microbiche che popolano questi ecosistemi acquatici nascosti è ancora frammentaria, spesso sviluppata da campioni di pochi pozzi selezionati o di una singola falda acquifera. In particolare, i processi geochimici ed ecologici che modellano le comunità microbiche delle acque sotterranee nello spazio e nel tempo non sono ben vincolati7.

Stabilire collegamenti robusti tra le comunità microbiche e le caratteristiche geochimiche delle acque sotterranee richiede grandi set di dati con un inventario ambientale completo associato a ciascun campione di comunità microbica. A tal fine, la Groundwater Observation Well Network (GOWN), gestita da Alberta Environment and Protected Areas (AEPA) in Canada, ha compilato dati geochimici per oltre 250 acque sotterranee ottenute dal monitoraggio di pozzi in diverse falde acquifere e regioni geografiche, che rappresentano una varietà di regimi geochimici. e l'età delle acque sotterranee. Ciascun pozzetto GOWN è stato campionato ripetutamente per molti anni, inclusi alcuni per diversi decenni8. Dal 2006, questo programma di monitoraggio completo ha raccolto sistematicamente informazioni regolari sul livello dell'acqua e sulla qualità chimica dell'acqua e sulle composizioni isotopiche per campioni acquosi e gassosi9. La provincia dell'Alberta è situata nel bacino sedimentario del Canada occidentale, che ospita importanti depositi di petrolio, gas, carbone, nonché zolfo, sale, calcare e dolomite10. Il sottosuolo superficiale e profondo è stato ampiamente studiato nel contesto dell'esplorazione e dello sviluppo di petrolio e carbone11 (Fig. 1).

a Ubicazione dei pozzi di falda freatica studiati nel contesto delle risorse energetiche della provincia di Alberta. I colori indicano l'età delle acque sotterranee in ciascun pozzo (giallo: acque più giovani; rosso: età intermedia; blu: acque più vecchie ricche di solfati; viola: acque più vecchie con pochi solfati). La dimensione del cerchio rappresenta il numero medio di cellule microbiche nei campioni di acque sotterranee, che vanno da 104 (cerchio completo più piccolo) a 107 cellule per ml (cerchio più grande). La mappa è stata creata utilizzando Arc-GIS v10.8 b Proporzione relativa dei tipi di acqua nei sedimenti superficiali, dei canali e del substrato roccioso, nonché nelle principali formazioni geologiche dell'Alberta, dimostrando che la geochimica delle acque sotterranee si è evoluta con l'aumento dell'età delle formazioni. NA non valutato, HSC Horseshoe canyon, Gp. Gruppo.