Dinamiche Microbiche e Biogeochimiche negli Ecosistemi Artici in Rapida Trasformazione

The Arctic environments, such as Arctic tundra and Arctic lakes, are undergoing profound changes caused by their vulnerability to climate change, with consequences on the entire geochemical cycles, where microorganisms act as the main protagonists. Arctic tundra is an extremely heterogeneous ecosystem, characterised by the presence of permafrost. Permafrost, defined as soil that remains under 0°C for at least two consecutive years, buries an enormous amount of organic carbon. With climate change, permafrost is thawing fast, and the organic carbon, once trapped, becomes available for microbial degradation, which results in the release of greenhouse gases (GHG), including methane (CH4). In the first part of this thesis, we investigated the processes that in Arctic Alaska drive CH4 fluxes in three types of tundra characterised by different vegetations: dry heath tundra, moist acid tussock tundra, and wet sedge tundra. The main outcome was that during the growing season, dry tundra acts as a CH4 sink while the other two types act as a GHG source. Building on this result, in the second part of this thesis, we focused on the characterisation of the microbial communities in these sites, studying their dynamic across the growing season and by varying the sampling depth, looking for a link to the observed GHG fluxes. And indeed, we were able to relate CH4 fluxes to the presence of methanogenic taxa, present in the active layer, i.e. the soil above permafrost undergoing seasonal cycles of freezing and thawing. In the last part of the thesis, we instead addressed antimicrobial resistance (AMR) in Arctic Lake waters, shedding light on the most frequent AMR determinants in these pristine basins, which represent a sentinel environment for monitoring the spread of AMR in response to ongoing environmental change.

Gli ambienti artici, come la tundra artica e i laghi artici, stanno subendo profondi cambiamenti causati dalla loro vulnerabilità ai cambiamenti climatici, con conseguenze sull'intero ciclo geochimico, dove i microrganismi agiscono come principali protagonisti. La tundra artica è un ecosistema estremamente eterogeneo, caratterizzato dalla presenza di permafrost. Il permafrost, definito come suolo che rimane sotto 0 °C per almeno due anni consecutivi, seppellisce un'enorme quantità di carbonio organico. Con i cambiamenti climatici, il permafrost si sta sciogliendo rapidamente e il carbonio organico, una volta intrappolato, diventa disponibile per la degradazione microbica, che si traduce nel rilascio di gas serra (GHG), tra cui il metano (CH4). Nella prima parte di questa tesi, abbiamo studiato i processi che nell'Alaska artica guidano i flussi di CH4 in tre tipi di tundra caratterizzati da diverse vegetazioni: tundra di brughiera secca, tundra umida a ciuffi acidi e tundra umida a carici. Il risultato principale è stato che durante la stagione di crescita, la tundra secca funge da pozzo di CH4, mentre gli altri due tipi agiscono come fonte di GHG. Sulla base di questo risultato, nella seconda parte di questa tesi ci siamo concentrati sulla caratterizzazione delle comunità microbiche in questi siti, studiandone la dinamica durante la stagione di crescita e variando la profondità di campionamento, alla ricerca di un collegamento con i flussi di gas serra osservati. In effetti, siamo stati in grado di correlare i flussi di CH4 alla presenza di taxa metanogeni, presenti nello strato attivo, ovvero il suolo sopra il permafrost sottoposto a cicli stagionali di gelo e disgelo. Nell'ultima parte della tesi, abbiamo invece affrontato la resistenza antimicrobica (AMR) nelle acque del Lago Artico, facendo luce sui determinanti di AMR più frequenti in questi bacini incontaminati, che rappresentano un ambiente sentinella per il monitoraggio della diffusione di AMR in risposta ai cambiamenti ambientali in corso.