Els bacteris troposfèrics de la pluja i la neu
Click here for the english version: The tropospheric bacteria of rain and snow
28 juliol 2013
Cada cop hi ha més proves científiques que els bacteris que es troben a l’alta troposfera (8-15 km) podrien influir en la densitat dels núvols i la pluja.
Bé, primer cal recordar que la troposfera és la part baixa de l’atmosfera, i els 8-15 km són l’alta troposfera, ja quasi a la tropopausa que limita amb l’estratosfera, per damunt l’Everest i per on volen més alt els avions. És aquí on són alguns dels núvols més alts.
Les capes de l’atmosfera terrestre (www.theozonehole.com/atmosphere)
Doncs en un estudi recent (DeLeón-Rodríguez et al, 2013) s’ha vist que els bacteris viables (per PCR quantitativa i microscòpia d’epifluorescència) a uns 10 km d’alçada (mostres preses damunt el mar Carib i l’Atlàntic occidental) representen un 20% de les partícules totals de mides entre 0,25 i 1 mm, i que són almenys 10 cops més abundants que els fongs, amb uns nombres de 105 per m3, amb un 60% de viables. Això suggereix que els bacteris són una fracció important i subestimada de les micropartícules dels aerosols atmosfèrics, fins i tot en majors concentracions que a menors alçades. Els autors han analitzat els bacteris presents per piroseqüenciació (Roche 454) dels gens rRNA. Han vist que el microbioma troposfèric té una bona varietat de taxons bacterians i que varien dinàmicament segons les turbulències atmosfèriques i en presència d’huracans. Alguns dels bacteris trobats més abundants són els que utilitzen compostos C1-C4 (l’oxàlic per ex.) presents a l’atmosfera, per tant aquests bacteris són metabòlicament actius a aquestes alçades. Això reforça la idea del paper actiu dels bacteris a la troposfera, i que no són tan sols espores (fúngiques) inerts surant per l’aire.
En aquest sentit, aquest anàlisi metagenòmic també confirma la presència dels bacteris que tenen capacitat de catalitzar la formació de cristalls de gel i per tant la condensació dels núvols. Aquest procés de nucleació (ice nucleation, IN) té lloc quan les molècules d’aigua presenten coalescència al voltant d’una partícula llavor, per exemple de pols. En funció de la temperatura, aquests complexos poden créixer fins esdevenir gotes d’aigua o de gel, que porten a la formació de la pluja o la neu. Tenint en compte que a l’alta troposfera les partícules de pols són escasses, es fa evident el paper rellevant dels bacteris en aquest fenomen.
Un dels papers clau en la nucleació de gel (IN) per part dels bacteris és que catalitzen la formació de gel a temperatures properes a 0ºC, a diferència de la formació de nuclis de gel per part de les partícules inorgàniques, que ho fa a temperatures més baixes, per sota de -10ºC, i sense cap partícula que faci de nucli l’aigua ultra-pura es congela a -40ºC.
La nucleació de gel pels bacteris s’ha reproduït al laboratori (Christner et al, 2008) amb mostres de pluja i de neu de diferents llocs del món (Canadà, USA, Pirineus, Alps i Antàrtida), demostrant que a les mostres tractades amb lisozima (que hidrolitza la paret cel·lular bacteriana) o tractades amb calor, es reduïa quasi al 100% l’activitat de IN a una temperatura de -5ºC. Per tant, els bacteris són els responsables de la IN a aquestes temperatures relativament altes.
Els bacteris més freqüentment associats amb l’activitat IN són espècies associades a plantes com Pseudomonas syringae o Xanthomonas campestris, que a més sovint han estat detectats als aerosols atmosfèrics i als núvols. També s’han trobat P. syringae dins les pedres de gel de les pedregades.
Pseudomonas syringae (www.forestry.gov.uk)
El fenomen de la IN per P. syringae ja fou observat el 1974 (Maki et al) i després s’ha demostrat (Gurian-Sherman & Lindow 1993) que les soques IN d’aquesta i altres espècies tenen a la membrana externa de la paret cel·lular, com a element actiu IN, una proteïna d’uns 180 kDa, composta de repeticions d’un octapèptid consens. Aquesta proteïna forma una disposició planar que atrapa molècules d’aigua produint un motlle per a la formació de gel.
Aquesta característica fa que aquests bacteris siguin els principals responsables dels danys per glaçades en les plantes, a banda que P. syringae és patogen de moltes plantes a temperatura ambient, per la producció d’un compost (coronatina) que fa mantenir els estomes oberts, provocant la invasió bacteriana dels teixits vegetals (Nigel Chaffey, 2012).
Fulla de tomaquera infectada per Pseudomonas syringae (Alan Collmer, Cornell University/Wikimedia Commons)
Tornant al mal de les glaçades, la majoria de plantes poden aguantar fins a -5ºC sense gaire danys si no hi ha aquests bacteris, però la presència de bacteris formadors de proteïna IN com P. syringae, en nombres només de 1000 per g de vegetal, fa augmentar dràsticament els danys per congelació. Aquests danys també faciliten la penetració i infecció dels bacteris.
Planta glaçada (MO Plants & Maureen Gilmer)
Aquesta característica de nucleació de gel de P. syringae també és aprofitada per a la producció de neu artificial. Encara que aquesta es pot fabricar normalment només per l’expansió forçada de barreja d’aigua i aire pressuritzats en condicions adequades d’humitat i temperatura (per ex. ≤ 2ºC a 20% humitat, o ≤ -2ºC a 60%), la producció s’afavoreix amb l’addició d’agents de nucleació, que poden ser inorgànics, orgànics o la proteïna bacteriana esmentada.
Canons de neu (www.siemens.com)
Tornant als núvols, cal recordar que els bacteris no són ni molt menys els únics agents de la nucleació que donen lloc a la condensació de les gotes que donen lloc a la pluja o la neu. Els nuclis de condensació de núvols (Cloud Condensation Nuclei, CCN), o anomenats llavors de núvols poden ser molt diversos tipus de micropartícules, de mides al voltant de 0,1 – 1 mm. En condensar-se aquest aerosol de micropartícules forma gotes als núvols de 0,02 mm, que en caure donen gotes de pluja de 2 mm.
Les micropartícules són sobretot d’origen natural com la pols, sal marina, sulfats d’origen volcànic, o micropartícules orgàniques resultat de l’oxidació de compostos volàtils. Alguns d’aquests poden ser d’origen industrial, així com el sutge o altres partícules resultat de la combustió. Un altre origen biològic important dels CCN són els aerosols de sulfats i metanosulfat produïts a partir del dimetilsulfur produït pel fitoplàncton dels oceans.
En qualsevol cas, i malgrat que la microbiologia atmosfèrica encara està a les beceroles, com hem vist cada cop hi ha més dades sobre la importància dels bacteris i altres microorganismes sobre la bioprecipitació de pluja i neu. Per conéixer millor el seu paper, cal anar més enllà de la descripció de l’abundància de microorganismes en l’atmosfera, i més cap a la comprensió de les propietats biològiques i fisicoquímiques dels processos de transport implicats. Això requerirà un enfoc interdisciplinari de disciplines tan aparentment diferents com l’oceanografia, la genètica bacteriana i la física de l’atmosfera, per exemple.
Imaginant-nos els bacteris (Pseudomonas syringae, foto: microbewiki.kenyon.edu) al mig dels núvols amenaçadors (foto: lanroca.wordpress.com)
Bibliografia
Chaffey N. (2012) COR, nice one, Mr Microbe !. AoB Blog.
Christner B. et al. (2008) Geographic, seasonal, and precipitation chemistry influence on the abundance and activity of biological ice nucleators in rain and snow. PNAS 105, 48, 18854-18859.
DeLeón-Rodríguez N. et al. (2013) Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. PNAS 110, 7, 2575-2580.
Gurian-Sherman D. & S.E. Lindow (1993) Bacterial ice nucleation: significance and molecular basis. FASEB J. 7, 14, 1338-1343.
Hardy J. (2008) The rain-making bacteria. Micro-Bytes.
http://microbialmodus.wordpress.com/tag/ice-nucleating-bacteria/
https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_condensation_nuclei
https://en.wikipedia.org/wiki/Snowmaking
Maki L.R. et al. (1974) Ice nucleation induced by Pseudomonas syringae. App!. Microbiol. 28, 456-460.
Morris C.E. et al. (2011) Microbiology and atmospheric processes: research challenges concerning the impact of airborne micro-organisms on the atmosphere and climate, Biogeosciences 8, 17-25
Posted on 28 Juliol 2013, in Bacteris, Medi Ambient and tagged atmosfera, bacteris, medi ambient, núvols, neu, pluja, Pseudomonas, troposfera. Bookmark the permalink. 5 comentaris.
BIOS i altres 
Molt interessant de llegir tot el teu blog!, agraeïxo haver-lo conegut. En relació a aquest article em pregunto fins a quin punt és dolent per les plantes la facilitació de la nucleació del gel induida per la presència de bacteris com P.Syringae. Independentment de la fitopatogènesi microbiana que pot comportar en les espècies més susceptibles, per el que fa al paper del gel sobre les plantes es sabut que la formació d’una capa de glaç sobre els teixits els protegeix de refredar-se internament de dues maneres:
1)El gel un cop format i ben repartit conforma un “abric” a les plantes si les temperatures externes segueixen baixant. Encara millor la neu, dons sovint te més gruix i a més conté molt aire dins seu que fa de càmera aillant. A la natura moltes poblacions de vegetals es mantenen en els ecosistemes gràcies a que queden ben innivats en el periode fred, és el cas per exemple dels nerets (Rhodondendron ferrugineum), tant abundants al Pirineu i que només s’hi fà en indrets propicis a l’acumulació de neu hivernal. Per altre banda els agricultors sempre prefereixen les anomenades “glaçades blanques” que les “glaçades negres”, les blanques son les humides, les que les plantes queden impregnades de rosada per la nit i aquesta es congela; les negres en canvi son les glaçades seques pero que penetren més dins dels vegetals glaçant els seus liquids intersticials.
2)En el moment del canvi d’estat físic de l’aigua, de vapor a líquid, de líquid a sòlid i també (si no m’equivoco) de vapor a sòlid, és produeix un petit increment tèrmic que també repercuteix positivament al amortir la baixada de temperatures. Indirectament també, si hi ha força humitat ambiental i es condensa en forma de boira -bé sigui de boira líquida o de boira de glaç- la mateixa boira atrapa i fa retornar també parcialment la radicació infrarroja que s’escapa del terra i de les plantes durant la nit.
Em costa imaginar dons el paper negatiu del glaç induit per la presència de bacteris. Pot ser que l’explicació resulti per el fet (em pregunto) de que alomillor el que fan els bacteris sigui facilitar també l’inici del procés de congelació dels teixits vegetals? En tal cas caldria que els bacteris estiguessin potser no només sobre la cutícula o les epidermis de les fulles sinó també d’alguna manera una mica dins dels estomes o dels propis teixits.. No?
Per el que fà a d’altres coses que expliques en l’article, sobre la presència de tant % de bàcteris a les capes més altes de la troposfera.. Penso que seria molt interessant que és pogués fer un estudi sobre la distribució i concentració de bacteris aerostàtics a aquestes alçades arreu del planeta i si la distribució es força irregular comprovar si hi ha algún patró de correlacions amb les distribucions dels cirrus i dels cirrustrats. També seria molt interessant coneixer si el potencial microbià de nucleació de glaç devingut de les característiques fisicoquímiques de les seves membranes sofreix certes variacions en funció d’atres variables, siguin potser tals la presència o concentració de certs altres gasos atmosfèrics (naturals o antròpics (polució originada per l’aviació per exemple)), la radiació ultraviolada o altres formes de radiació, la temperatura de l’aire, els índexs d’humitat, etcètera.. I en cas que si, si hi han aleshores certes periodicitats mitjanes entre màxims i mínims a nivell diari o estacional.
Fà bastants anys, quan era jo adolescent, em vaig apassionar per la meteorologia i una de les coses que vaig fer va ser en un moment donat començar a apuntar diariament en una llibreta els tipus de núvols, grau de cobertura i direcció de procèdència dels mateixos; fins i tot feia registres de matins i de tarda. L’objectiu era “aprendre” per el meu compte i obrir-me a la possibilitat de donar-me compte de si trobava algunes correlacions interesants entre fenòmens meteorològics o entre seqüències de núvols mateixos. I la veritat una cosa de les que em vaig adonar i que curiosament no he trobada referida en cap llibre de meteorologia o cap document d’altre tipus, es que els nuvols d’aspecte cirrós (composats per gel) en general es veuen més durant les tardes que durant els matins, i no em refereixo a l’estiu (a l’estiu s’enten facilment que a últimes hores de la tarda abundin dons molts son derivats de la formació previa de cumulonimbs tèrmics de desnvolupament diurn) sino en la resta d’estacions, sobretot també a l’hivern.
No trobava l’explicació donat que a les capes altes de la troposfera, en teoria les oscilacions tèrmiques entre el dia i la nit son pràcticament nules. Ara, tot pensant en els bacteris em ve de fer-me la pregunta de si tal vegada el seu potencial de nucleació de glaç resulti lleument (pero una mica significativament) incrementat per la llum ultraviolada per exemple o per les oscilacions dels nivells d’ozó troposfèric (que tenen uns pics màxims a primeres hores de la tarda) o d’altres substàncies que no em venen al cap d’imaginar.
Salutacions!
Marc
Un altre apunt relacionat amb lo últim que deia. Soc (i era) conscient de que tal vegada un factor de l’increment de presència de cirrus durant la tarda tal vegada fos la correlació amb el major % d’avions creuant el cel en hores diurnes que no pas nocturnes i per tant de la major sembra de nuclis de condensació i també d’humitat directa devinguda dels reactors pero sospitava (i continuo sospitant) de que potser lo dels avions no sigui una raó suficient i que poden haver altres causes afegides. Durant els matins en general abunden una mica més (crec que d’això un només es pot convencer si mira diariament el cel i es fa l’estadística pertinent després) els cels amb altocumuls i quan s’observen aquests, després per la tarda el que es solen observar no solen ser tant altocumuls sino cirrus o cirrostrats.
Moltes gràcies Mark pels comentaris i difusió.
Retroenllaç: BACTERIS: 21 fílums principals, amb 145 gèneres importants | BIOS i altres