Heterogenitatea solului ajută bacteriile să găsească nutrienți
Cercetătorii de la ETH Zurich și Eawag au dezvoltat o platformă microfluidică ce reproduce condițiile realiste din subsol, permițând observarea directă a celulelor bacteriene individuale. Studiul, publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences, arată că heterogenitatea fizică a solului amplifică beneficiile motilității și chemotaxiei bacteriene.
Multe bacterii folosesc chemotaxia — capacitatea de a detecta și înota către semnale chimice — pentru a localiza zonele bogate în nutrienți. Cu toate acestea, mediile subterane naturale sunt extrem de heterogene, cu rețele complexe de pori care creează variații puternice în fluxul fluidelor și disponibilitatea nutrienților. Modul în care aceste condiții fizice influențează comportamentul bacterian a rămas puțin înțeles până acum.
Echipa condusă de Joaquín Jiménez-Martínez, profesor de procese ambientale subterane la ETH Zurich și Eawag, a colaborat cu profesorul Roman Stocker de la ETH Zurich și cu cercetători de la Institutul Spaniol de Evaluare Ambientală și Cercetare a Apelor (IDAEA-CSIC). Împreună au creat un sistem care generează hotspot-uri controlate de nutrienți, mimând cele găsite în jurul agregatelor de sol, materiei organice, contaminanților sau rădăcinilor de plante.
Folosind această platformă, cercetătorii au urmărit mișcările celulelor individuale ale bacteriei de sol Azospirillum brasilense în diferite condiții de curgere și structuri ale spațiului porilor. Rezultatele au arătat că heterogenitatea fizică sporește beneficiile motilității și chemotaxiei bacteriene.
Contrar presupunerii comune că fluxul de fluide suprimă navigarea bacteriană, structurile poroase complexe creează regiuni cu viteză redusă unde bacteriile pot rămâne mai mult timp și pot înota eficient către sursele de nutrienți. Astfel, bacteriile chemotactice au experimentat o expunere substanțial mai mare la nutrienți comparativ cu celulele nemobile transportate pasiv de flux.
Avantajul chemotaxiei a crescut de aproximativ 1,5 ori în medii poroase puternic heterogene față de medii cu curgere uniformă. De asemenea, heterogenitatea la scara porilor permite chemotaxiei să rămână avantajoasă pe o gamă mai largă de viteze de curgere. În medii poroase, variațiile locale de flux permit bacteriilor să continue accesarea hotspot-urilor de nutrienți chiar și în condiții în care chemotaxia devine ineficientă în medii omogene.
Aceste descoperiri demonstrează că heterogenitatea fizică la scară microscopică este un factor cheie care modelează comportamentul microbian în subsol și oferă perspective noi pentru înțelegerea respirației solului, ciclului nutrienților, remedierii apelor subterane și managementului ambiental.
