Pyrite oxidation flux underestimated due to landscape-mediated microbial sulfate reduction

L'atmosfera terrestre è un delicato bilancio, costantemente scritto e riscritto dai processi geologici. Da un lato, le rocce subiscono l'erosione e prelevano l'anidride carbonica dall'aria, agendo come un meccanismo di raffreddamento. Dall'altro, la decomposizione di certi minerali rilascia anidride carbonica nuovamente nel cielo. Tra questi minerali, la pirite — spesso chiamata "oro degli stolti" — gioca un ruolo sorprendentemente grande. Quando la pirite viene esposta all'aria e all'acqua, si ossida, creando acido solforico che consuma le rocce circostanti e rilascia anidride carbonica. Questo processo consuma anche ossigeno. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di misurare quanta pirite si stia decomponendo nelle catene montuose, perché questo numero aiuta a determinare se le montagne stiano agendo come un pozzo netto di carbonio o come una fonte. Per farlo, si sono tradizionalmente concentrati sulle impronte chimiche del solfato, un sottoprodotto della decomposizione della pirite, che fluisce nei fiumi. Avevano ipotizzato che queste impronte raccontassero una storia lineare: se il solfato avesse avuto un certo aspetto, proveniva dalla pirite; se ne avesse avuto un altro, proveniva dalla dissoluzione di antichi depositi salini.

Tuttavia, un nuovo studio condotto nelle sorgenti del fiume Ganga nell'Himalaya suggerisce che questa visione tradizionale stia tralasciando un capitolo cruciale. I ricercatori hanno scoperto che i segnali chimici utilizzati per tracciare la pirite vengono alterati dalla vita microscopica che vive nel suolo e nelle acque sotterranee. Nello specifico, i batteri che consumano il solfato stanno cambiando la composizione chimica dell'acqua prima ancora che questa raggiunga il fiume. Questa attività biologica nascosta significa che i calcoli precedenti hanno probabilmente sottostimato quanto la pirite si stia effettivamente ossidando. Se gli scienziati hanno ragione, la quantità di anidride carbonica rilasciata dal weathering (degradazione meteorica) montano potrebbe essere quasi il doppio di quanto precedentemente ipotizzato, cambiando fondamentalmente la nostra comprensione di come le montagne influenzino il clima del pianeta e i livelli di ossigeno nel corso di milioni di anni.

Il team, guidato da ricercatori dell'Istituto Indiano di Tecnologia di Kanpur e dell'ETH di Zurigo, si è concentrato sul terreno impervio dei bacini dell'Alaknanda e del Bhagirathi. Queste aree sono perfette per questo tipo di studio perché contengono una grande varietà di tipi di rocce ed esperiscono diversi tassi di erosione e precipitazioni. Gli scienziati hanno raccolto campioni d'acqua da fiumi e torrenti in questo paesaggio, misurando non solo la chimica dell'acqua, ma anche i marcatori genetici dei microbi che vi vivono. Cercavano un gene specifico, noto come dsrB, che funge da firma per i batteri che effettuano la riduzione microbica del solfato. Si tratta di un processo in cui i batteri sottraggono ossigeno dalle molecole di solfato per sopravvivere in ambienti poveri di ossigeno, spesso situati in profondità nel suolo o nelle crepe delle rocce.

Ciò che i ricercatori hanno scoperto è un chiaro legame tra il paesaggio e i microbi. Nelle aree in cui il terreno erode lentamente e il suolo è spesso, l'acqua impiega molto tempo per viaggiare dalla superficie al fiume. Questo viaggio lento permette all'ossigeno di essere consumato dalle radici delle piante e da altri organismi, creando le condizioni anossiche, ovvero prive di ossigeno, perfette affinché i batteri che consumano il solfato possano prosperare. In questi ambienti a movimento lento e bassa erosione, i batteri erano abbondanti e la firma chimica del solfato nell'acqua era stata pesantemente alterata. I batteri non stavano solo consumando il solfato; stavano cambiando la sua composizione isotopica in un modo che lo faceva sembrare proveniente da una fonte completamente diversa. Lo studio ha dimostrato che più questi batteri erano presenti, più i segnali chimici deviavano da quanto atteso da una semplice degradazione delle rocce.

Fondamentalmente, il team ha scoperto che questa sovrascrittura biologica non era casuale; era controllata dalla forma fisica del territorio e dal clima. Nei paesaggi ripidi e a rapida erosione, o nelle aree coperte da ghiacciai, il suolo è sottile e l'acqua si muove velocemente. C'è poco tempo affinché l'ossigeno si esaurisca, quindi i batteri che consumano il solfato non riescono a stabilire una presenza forte e i segnali chimici rimangono relativamente invariati. Ma nelle parti del bacino con bassa erosione, più calde e umide, l'acqua ristagna nel suolo abbastanza a lungo da permettere ai batteri di svolgere il proprio lavoro. I ricercatori hanno scoperto che l'entità di questa alterazione era massima dove i tassi di erosione fisica erano bassi e le precipitazioni erano da moderate a scarse, una combinazione che massimizza il tempo che l'acqua trascorre nel sottosuolo.

Questa scoperta ha implicazioni profonde per la nostra comprensione dei cicli globali dello zolfo e del carbonio. Per anni, gli scienziati hanno utilizzato la composizione chimica del solfato fluviale per stimare quanta pirite venga ossidata in tutto il mondo. Avevano ipotizzato che se il solfato sembrava provenire da antichi depositi salini, non proveniva dalla pirite. Ma i nuovi dati suggeriscono che i batteri stanno facendo apparire il solfato derivante dalla pirite come se provenisse da depositi salini. Quando i ricercatori hanno applicato questa nuova comprensione a un database globale di chimica fluviale, i risultati sono stati sorprendenti. Hanno scoperto che in molti fiumi, il solfato derivava quasi interamente dall'ossidazione della pirite, nonostante i segnali chimici avessero precedentemente suggerito il contrario.

Correggendo per questa interferenza microbica, il team ha calcolato che il flusso globale di solfato derivante dall'ossidazione della pirite è probabilmente compreso tra 2,0 e 2,5 trilioni di moli all'anno. Questo è significativamente più alto delle stime precedenti, che si aggiravano tra 1,3 e 1,6 trilioni di moli all'anno. In termini più semplici, la quantità di anidride carbonica rilasciata nell'atmosfera dal weathering della pirite nelle montagne potrebbe essere quasi il doppio di quanto pensavamo. Questo non significa che la Terra sia in pericolo immediato, ma significa anche che i nostri modelli di come il pianeta regoli la sua temperatura su scale temporali geologiche devono essere aggiornati. Le montagne, spesso viste come luoghi che estraggono carbonio dall'aria attraverso il weathering dei silicati, potrebbero in realtà rilasciare più carbonio di quanto ne assorbano, se si tiene conto del pieno impatto dell'ossidazione della pirite.

Lo studio evidenzia anche l'intricata connessione tra il mondo fisico e quello microscopico. La forma delle montagne, la velocità di erosione e la quantità di pioggia dettano il comportamento di invisibili batteri, che a loro volta riscrivono la storia chimica dell'acqua che scorre verso gli oceani. I ricercatori sono stati in grado di confermare ciò misurando direttamente l'abbondanza dei batteri riduttori del solfato nei campioni d'acqua. Hanno scoperto che laddove i batteri erano più numerosi rispetto alla quantità di solfato disponibile, la distorsione chimica era maggiore. Ciò ha fornito un collegamento diretto e quantitativo tra il paesaggio, i microbi e il ciclo globale del carbonio.

Questo lavoro non suggerisce che i modelli precedenti fossero interamente errati, ma piuttosto che fossero incompleti. La visione tradizionale trattava i segnali chimici nei fiumi come un record statico del weathering delle rocce. La nuova ricerca rivela che questo record è dinamico, costantemente editato da processi biologici che sono stati ampiamente trascurati negli ambienti terrestri. Lo studio sottolinea che per comprendere veramente la storia del clima terrestre, gli scienziati devono guardare oltre le rocce e l'acqua, verso la vita che esiste in esse. La prossima volta che considereremo il ruolo delle montagne nel ciclo globale del carbonio, dobbiamo ricordare che la storia non è scritta solo nella pietra, ma anche nel suolo, dove minuscoli batteri stanno silenziosamente rimodellando la chimica del pianeta.