La geologia e l’uso del territorio modellano le comunità microbiche delle acque sotterranee che ciclano azoto e zolfo nelle falde acquifere delle isole del Pacifico

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 58 (2023) Citare questo articolo

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Le popolazioni insulari con risorse limitate hanno prosperato alle Hawaii per oltre un millennio, ma ora devono affrontare nuove sfide aggressive alle risorse fondamentali, tra cui la sicurezza e la sostenibilità delle risorse idriche. Caratterizzare la comunità microbica negli ecosistemi delle acque sotterranee è un approccio potente per dedurre i cambiamenti derivanti dagli impatti umani dovuti alla gestione del territorio nelle falde acquifere complesse idrogeologiche. In questo studio, investighiamo come la geologia e la gestione del territorio influenzano la geochimica, la diversità microbica e le funzioni metaboliche. Abbiamo campionato un totale di 19 pozzi nell'arco di 2 anni attraverso lo spartiacque Hualālai di Kona, Hawaii, analizzando la geochimica e le comunità microbiche mediante sequenziamento dell'amplicone di rRNA 16S. L'analisi geochimica ha rivelato un livello di solfato significativamente più elevato lungo la zona del rift vulcanico nordoccidentale e un elevato livello di azoto (N) correlato all'elevata densità dei sistemi di smaltimento delle acque reflue in loco (OSDS). In 220 campioni sono state identificate in totale 12.973 varianti di sequenza amplicone (ASV), tra cui 865 ASV classificate come presunti ciclisti N e zolfo (S). I ciclisti N e S erano dominati da un presunto S-ossidante accoppiato alla completa denitrificazione (Acinetobacter), significativamente arricchito fino a 4 volte rispetto ai campioni raggruppati per geochimica. La presenza significativa di Acinetobacter deduce il potenziale di biorisanamento delle acque sotterranee vulcaniche per l’S-ossidazione e la denitrificazione accoppiate guidate dai microbi, fornendo un servizio ecosistemico per le popolazioni insulari dipendenti dalle falde acquifere sotterranee.

I microbi svolgono un ruolo regolatore nelle complesse interazioni tra idrologia, geologia e uso del territorio [1, 2], determinando una biogeochimica delle acque sotterranee altamente variabile. I microbi nelle falde acquifere sotterranee rappresentano circa il 40% della vita microbica della Terra [3, 4] e sono cruciali per i servizi ecosistemici, inclusa la fornitura di acqua potabile pulita. Le comunità microbiche del sottosuolo migliorano la qualità dell’acqua scomponendo il materiale organico e riciclando azoto (N), zolfo (S) e ferro (Fe) [5]. A differenza della strutturazione redox dei sistemi sedimentari, le reazioni redox opposte si verificano contemporaneamente in microambienti unici (ad esempio, biofilm, particelle) dando luogo a un microbioma diversificato delle acque sotterranee in grandi habitat acquatici sotterranei [6, 7]. Di conseguenza, l’uso di composti inorganici come fonti di energia (chemolitoautotrofia) sono vie metaboliche molto comuni negli ecosistemi delle acque sotterranee, spesso legate ai cicli del carbonio (C), dell’idrogeno (H) e dello zolfo (S) con ossigeno (O) e nitrati. (NO3−) come gli accettori di elettroni più utilizzati [1]. In uno dei pochi studi sul microbioma condotti nelle falde acquifere profonde delle Hawaii, l’analisi ha rivelato un’elevata diversità funzionale caratterizzata principalmente da metabolici chemiolitotrofi [8].

Caratterizzare la comunità microbica degli ecosistemi delle acque sotterranee è un approccio potente per dedurre i cambiamenti geochimici derivanti dagli impatti umani e dall’uso del suolo in falde acquifere idrogeologicamente complesse [9, 10]. I cambiamenti nella struttura e nella diversità della comunità microbica del sottosuolo possono avvisare gli utenti della diminuzione della qualità dell’acqua, perché i microbi nel sottosuolo reagiscono rapidamente alle alterazioni del loro ambiente dovute a cambiamenti nell’uso del territorio e/o a contaminanti, con conseguente diminuzione della diversità e percorsi biogeochimici accorciati [11, 12]. Ciò è particolarmente importante alle Hawaii poiché tutte le risorse idriche dipendono quasi interamente dalle acque sotterranee. Circa l'89% della fornitura di acqua potabile delle Hawai'i si trova in risorse idriche sotterranee, con contributi minimi provenienti dalle acque superficiali (ad esempio, bacini idrici, captazioni pluviali) [13] e attività di desalinizzazione su piccola scala. Le Hawaii hanno il maggior numero di pozzi neri pro capite negli Stati Uniti [14]. L'inquinamento da fonti non puntuali derivante dai sistemi personali di smaltimento delle acque reflue in loco (OSDS, pozzi neri) e dall'agricoltura sono le due principali fonti di nutrienti di origine umana che hanno un impatto sugli ecosistemi costieri e sono stati riconosciuti come i principali problemi ambientali alle Hawaii [15,16 ,17,18].