L'ecologia microbica acquatica oggi.

Ci sono due domande alle quali l'ecologia microbica acquatica deve rispondere per poter costruire o verificare modelli interpretativi su come un certo ecosistema sta funzionando e su come migliorarne il funzionamento:

1. quanti microrganismi  ci sono in un lago e come sono ripartiti nei vari gruppi funzionali e tassonomici ?
2. quanto sono attivi, cioè quanta materia trasformano (producono e/o consumano) in un certo tempo?

1. Importanza quantitativa dei microrganismi per l’ecosistema acquatico:
si valuta con stime di biomassa, affrontate con diverse tecniche,

2. Le attività e le funzioni dei microrganismi acquatici

nell’ambito delle dimensioni microscopiche si trovano gli organismi che garantiscono le due attività fondamentali connesse con l’esistenza della vita:
=> produzione di sostanza organica a partire da materia inorganica
=> suo utilizzo da parte degli eterotrofi, che culmina, dopo innumerevoli trasformazioni, con la mineralizzazione della sostanza organica.

Schema della struttura dimensionale e funzionale del plancton:

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Clicca qui per vedere il ciclo delle attività  delle catena alimentare microbica 

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Come si misurano i trasferimenti di materia nella catena alimentare microbica

1. Per  la produzione primaria algale e  la produzione batterica: metodo dei traccianti marcati
   L'attività  fotosintetica algale fa sì che, dopo una serie complessa di reazioni biochimiche che avvengono all'interno della cellula, singoli atomi di carbonio (C) di molecole inorganiche si uniscano a formare molecole organiche. Per misurare la produzione algale   si aggiunge ad un campione d'acqua una quantità nota di molecole inorganiche nelle quali l'atomo C è costituito da un isotopo radioattivo di questo elemento, cioè un tracciante marcato. Assumendo che le cellule algali  non discriminino tra isotopo stabile e isotopo radioattivo,  esse utilizzeranno, per sintetizzare nuove molecole organiche, quantità  proporzionali dei due isotopi. La quantità di isotopo radioattivo  nelle cellule algali si può misurare con  precisione e sensibilità assai maggiori  rispetto all'isotopo non radioattivo. Perciò, conoscendo la proporzione nel campione in esame tra C stabile e C radioattivo, misurando quanto di quest'ultimo è andato a finire nelle cellule algali nel corso di un certo periodo di incubazione si può risalire al C totale utilizzato dalle alghe per costruire nuova sostanza organica.
   Anche la produzione batterica si può misurare con traccianti marcati. Si usano però molecole marcate di basi o amminoacidi  che i batteri utilizzano nella costruzione di DNA o proteine. 
   Questi metodi presentano tuttavia molti difetti e producono risultati spesso poco attendibili e incerti  per l'elevato numero di variabili capaci di influenzare il sistema di misura, per le modeste concentrazioni di sostanze in gioco e per l'elevata eterogeneità dei sistemi naturali. 

2. Per  la mineralizzazione (decomposizione) batterica: misura del substrato consumato o di un qualche catabolita prodotto.
   Le tecniche e gli strumenti per la microanalisi, sempre più sensibili ed affidabili, consentono  di stimare l'attività batterica  misurando il consumo, in un campione posto ad incubare per un certo tempo,  di sostanza organica attuato dai batteri o la quantità di CO₂ che deriva dalla sua ossidazione batterica. E' probabile che questi metodi evolveranno fino a poter essere utilizzati, in un prossimo futuro, anche per misure di routine. 

3. Per l'attività dei protozoi: misura del numero di alghe o batteri ingeriti  utilizzando cellule marcate (con colorante fluorescente) e successiva visualizzazzione con microscopio ad epifluorescenza.
   E' possibile, utilizzando speciali coloranti,  produrre cellule batteriche e cellule algali con fluorescenza verde. Tali cellule, aggiunte ad un campione con protozoi, sono ingerite allo stesso modo delle cellule non colorate. Successivamente possono essere visualizzate all'interno dei vacuoli dei protozoi e, dal loro conteggio in tempi successivi, si può ottenere una stima del tasso di ingestione del singolo protozoo. Se si vuole calcolare il tasso di ingestione giornaliero della comunità (senza analizzare in dettaglio le singole specie) si contano le cellule totali e quelle marcate, al tempo iniziale e finale dell'esperimento e, applicando un semplice modello,  si risale al numero totale di batteri ingeriti, tenendo conto anche della potenziale crescita delle cellule non ingerite. In questo ultimo caso bisogna però verificare che tipo di possibili consumatori di batteri o alghe sono presenti nel campione ed eventualmente escludere cladoceri e rotiferi con una prefiltrazione, in modo da avere nel campione soltanto protozoi (flagellati e ciliati).

Un esempio di come funziona quest'ultima tecnica:

Cellula di ciliato colorata con DAPI vista al microscopio ad epifluorescenza con eccitazione nell'UV	La stessa  ma con eccitazione nel Blu, che  evidenzia la fluorescenza delle cellule di picoplancton all'interno del ciliato

Riassumendo:

è a livello microscopico che è contenuta la maggior quantità di energia chimica  e che si esplica la maggior attività metabolica di un lago.

se il bilancio tra produzione e decomposizione microbiche è in pareggio il lago funziona correttamente. In caso di iperproduzione si ha accumulo di sostanza organica e un progressivo deterioramento dell'ambiente durante la rimozione dell'eccesso (consumo eccessivo di ossigeno => anossia, formazione di prodotti catabolici incompatibili con alcune forme di vita).

Quale è il significato di quanto detto per un ecosistema reale?
Consideriamo il bacino imbrifero del Lago Maggiore che, con una superficie di circa 6500 km², è un gigantesco raccoglitore di sostanza organica che affluisce al lago:

Il bilancio tra entrate e uscite di sostanza organica nel Lago Maggiore è riassunto in questo grafico:

Come si vede il  bilancio entrate-uscite del lago non è quasi mai in pareggio ma oscilla attorno a un punto di equilibrio che è pesantemente influenzato dai microrganismi e dalle loro attività di produzione e consumo della sostanza organica.

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