Pericoli nascosti nei suoli "a pioggia acida
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Le piogge acide causate dall'inquinamento da combustibili fossili potrebbero addestrare silenziosamente i batteri del suolo a diventare più longevi, più trasmissibili e più letali, secondo un nuovo studio pubblicato sulla rivista New Contaminants, che segue il modo in cui un noto agente patogeno di origine alimentare si è rapidamente evoluto in condizioni di deposizione acida simulata.
È noto da tempo che le deposizioni acide causate dalla combustione di carbone, petrolio e altri combustibili fossili danneggiano le foreste, i laghi e le colture, ma il loro impatto sui microbi che causano malattie nel suolo è stato ampiamente trascurato. La nuova ricerca dimostra che le piogge acide possono destabilizzare il microbioma nativo del suolo in modo tale da facilitare l'invasione e la persistenza del patogeno Escherichia coli O157:H7. Sui dati metagenomici globali del suolo provenienti da 2.874 siti, il team ha scoperto che l'abbondanza dell'Escherichia coli raggiunge i picchi nei terreni leggermente acidi intorno al pH 5, indicando nell'acidificazione del suolo una potente pressione ecologica che determina il successo di questo patogeno.
"L'inquinamento non solo stressa gli ecosistemi, ma dà anche ai batteri pericolosi la possibilità di adattarsi, diffondersi e diventare più dannosi per l'uomo", ha dichiarato l'autore senior Peng Cai della Huazhong Agricultural University. "I nostri risultati suggeriscono che la deposizione acida può agire come un acceleratore invisibile per l'evoluzione di agenti patogeni ad alto rischio".
La deposizione acida alimenta il rischio patogeno attraverso una cascata ecologica ed evolutiva accoppiata
Liliang Wang, Yunhao Wang, Yonghui Xing, Chunhui Gao, Yichao Wu, Chenchen Qu, Ke Dai, Ming Zhang, Qiaoyun Huang & Peng Cai
Un "esperimento di evoluzione" nel suolo durato 150 giorni
Per sondare questo rischio, i ricercatori hanno condotto un esperimento in serra di 150 giorni utilizzando un terreno forestale della provincia di Henan, in Cina, trattato ripetutamente con pioggia simulata a tre livelli di acidità e inoculato con E. coli O157:H7, una delle principali cause di gravi malattie alimentari. Mentre il numero di patogeni è diminuito nel tempo in tutti i trattamenti, le piogge acide hanno rallentato significativamente l'estinzione, con una pioggia leggermente acida che ha mantenuto fino a 100 volte più batteri rispetto alla pioggia normale in alcuni punti temporali e ha lasciato popolazioni diverse volte più alte dopo cinque mesi.
Sorprendentemente, la composizione complessiva e la diversità della comunità batterica autoctona è rimasta relativamente stabile, ma la sua rete di interazione interna è cambiata drasticamente. Le piogge acide e l'invasione di patogeni hanno semplificato la rete e aumentato le interazioni negative, indicando un'intensificazione della competizione interna che ha indebolito la naturale "resistenza biotica" della comunità agli invasori e ha aperto uno spazio ecologico per la persistenza di E. coli O157:H7.
Da sopravvissuto del suolo a "supercolonizzatore".
Alla fine dell'esperimento, il team ha isolato diversi lignaggi di E. coli evoluti in modo indipendente che si erano adattati all'ambiente del suolo sottoposto a stress acido. Questi ceppi hanno mostrato un colore alterato delle colonie, una maggiore formazione di biofilm e cambiamenti nella motilità, oltre a modificare il modo in cui utilizzano le diverse fonti di carbonio. Quando i ceppi evoluti sono stati reintrodotti nel suolo, hanno superato il loro antenato, raggiungendo abbondanze da 6 a 450 volte superiori dopo 60 giorni, dimostrando un notevole aumento della capacità di colonizzazione a lungo termine.
Le analisi fenotipiche hanno rivelato che i lignaggi di maggior successo hanno bilanciato una moderata formazione di biofilm con un movimento efficiente, piuttosto che massimizzare un singolo tratto. Biofilm e motilità insieme spiegano la maggior parte della variazione nella colonizzazione del suolo, dimostrando come le piogge acide abbiano spinto il patogeno verso un "kit di sopravvivenza" ottimizzato per la vita nei terreni disturbati.
Ricablaggio genetico profondo sotto stress da inquinamento
La profilazione dell'espressione genica ha mostrato che i ceppi evoluti hanno attivato un modulo coordinato di funzioni che regolano il movimento, la costruzione del biofilm, la comunicazione chimica e la virulenza. I principali regolatori del quorum sensing e del biofilm si trovavano al centro di una rete di espressione altamente connessa, strettamente legata ai geni della motilità e della patogenicità, indicando un aggiornamento sistemico piuttosto che cambiamenti isolati.
Il sequenziamento dell'intero genoma dei principali colonizzatori ha rivelato che questa rapida evoluzione è stata guidata in gran parte da cambiamenti strutturali del genoma. Lignaggi indipendenti hanno condiviso un'inversione cromosomica convergente in prossimità di un regolatore della risposta agli acidi, mentre un ceppo altamente idoneo presentava una delezione che rimuoveva un importante sistema di regolazione dello stress che si pensava limitasse la produzione di biofilm, liberando potenzialmente i tratti di virulenza e colonizzazione a valle da uno stretto controllo.
Minacce più gravi per la catena alimentare e la salute
L'aspetto cruciale è che gli adattamenti ambientali evoluti si sono tradotti direttamente in un rischio maggiore lungo la catena alimentare e negli animali. In esperimenti su vasi di lattuga che simulavano la contaminazione da terreni irrigati, i ceppi evoluti hanno raggiunto livelli fino a otto volte superiori nelle foglie commestibili rispetto al ceppo ancestrale, indicando una possibilità molto maggiore di raggiungere i consumatori sui prodotti freschi.
Nei test di infezione dei topi, i lignaggi adattati sono cresciuti a livelli più elevati nell'intestino e hanno causato malattie molto più gravi. La mortalità è passata da circa il 10% negli animali esposti al ceppo originale a circa il 50% per alcuni ceppi evoluti, che hanno prodotto danni intestinali estesi e lesioni oltre l'intestino. Questi risultati corrispondono all'aumento osservato dei geni di virulenza, confermando che l'adattamento guidato dalle piogge acide ha creato non solo sopravvissuti ambientali più resistenti, ma anche patogeni più letali.
Inquinamento ed evoluzione dei patogeni: un ciclo di feedback
Nel complesso, i risultati delineano una cascata eco-evolutiva in tre fasi: la deposizione acida destabilizza le difese microbiche del suolo, questa perturbazione favorisce la sopravvivenza e la rapida evoluzione degli agenti patogeni invasori e i ceppi risultanti sono più adatti a colonizzare le colture e a causare gravi malattie. Gli autori sostengono che l'inquinamento industriale e l'evoluzione dei patogeni possono formare un pericoloso circuito di feedback positivo, in cui i fattori di stress ambientale formano involontariamente "superpatogeni" con un maggiore impatto sulla salute pubblica.
Lo studio evidenzia la necessità di integrare l'evoluzione microbica nelle valutazioni del rischio ambientale e della sicurezza alimentare, soprattutto nelle regioni con depositi acidi e agricoltura intensiva. Secondo i ricercatori, la riduzione delle emissioni che causano le piogge acide potrebbe contribuire a proteggere non solo gli ecosistemi ma anche le popolazioni umane dalle minacce di malattie emergenti alimentate dall'inquinamento.
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