Els bacteris troposfèrics de la pluja i la neu

Cada cop hi ha més proves científiques que els bacteris que es troben a l’alta troposfera 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 en la seva part superior hi ha l’anomenada alta troposfera —situada entre els 8 i els 15 km d’altitud—, 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 es formen alguns dels núvols més alts.

En diversos estudis s’ha vist que els bacteris viables a uns 10 km d’alçada representen un 20% de les partícules totals de mides entre 0,25 i 1 micròmetre, i que són almenys 10 cops més abundants que els fongs, en quantitats de 10⁵ per m³. 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. S’ha 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, així com segons l’estació de l’any (DeLeon-Rodriguez et al. 2013).

D’altra banda, s’ha observat que els microorganismes que precipiten amb la pluja o calamarsa o neu, o els que són arrossegats pels núvols, són més nombrosos que els que hi ha de forma lliure a l’aire de la troposfera, i són més diversos (Els et al. 2019).

Els bacteris “creen” els núvols

Els estudis de mostres de la troposfera confirmen 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 de gel (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 a 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 (Perera et al. 2022).

Un dels papers clau en la nucleació de gel (IN) per part dels bacteris és que catalitzen la formació de gel a temperatures properes als 0°C, a diferència de la formació de nuclis de gel per part de les partícules inorgàniques, que es dona a temperatures més baixes, per sota de -10°C.

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, els Estats Units d’Amèrica, els Pirineus, els Alps i l’Antàrtida), demostrant que a les mostres tractades amb lisozim —que hidrolitza la paret cel·lular bacteriana— o tractades amb calor l’activitat de IN es reduïa quasi al 100% a una temperatura de -5°C. Per tant, els bacteris són els responsables de la IN a aquestes temperatures.

Fabricants de gel i patògens vegetals

Els bacteris més freqüentment associats amb l’activitat IN són espècies associades a plantes com Pseudomonas syringae (Figura 1) 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.

Figura 1. Bacils de Pseudomonas syringae causants de xancre a les pomeres, vistos al microscopi electrònic de transmissió, d’uns 2 micròmetres de llarg - Imatge adaptada de Lee et al. (2023), llicència de Creative Commons

Figura 2. Formació de gel a les fulles d’ortiga - Imatge de Robert Reisman, de Wikimedia Commons, llicència de Creative Commons

En el fenomen de la IN per P. syringae s’ha demostrat (Gurian-Sherman & Lindow, 1993) que les soques IN d’aquesta i d’altres espècies tenen a la membrana externa de la paret cel·lular diversos surfactants, i com a element actiu tenen la proteïna INP, 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 (Figura 2), 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 (Figura 3) (Chaffey, 2012).

Figura 3. Fulla de tomaquera infectada per Pseudomonas syringae - Imatge d’Alan Collmer, Cornell University, de Wikimedia Commons, llicència de Creative Commons

Tornant al mal de les glaçades, la majoria de plantes poden aguantar fins a -5°C sense gaires danys si no hi ha aquests bacteris, però la presència de bacteris formadors de proteïna IN com P. syringae, en nombre només de 1.000 per g de vegetal, fa augmentar dràsticament els danys per congelació. Aquests danys també faciliten la penetració i la infecció dels bacteris.

Ecològicament, aquest P. syringae és una espècie paradigmàtica perquè en pocs anys ha passat de ser considerada només un patogen epifític de les plantes conreades a ser un bacteri polifacètic “sense fronteres” d’ambients aquàtics i altres ecosistemes lligats al cicle de l’aigua a nivell global. De fet, la seva història evolutiva, com altres Pseudomonas, té centenars de milions d’anys, abans fins i tot de l’aparició de les fanerògames i molt abans de l’inici de l’agricultura fa 10.000 anys (Morris et al. 2013).

Cada cop neva menys, però volem esquiar....

Aquesta característica de nucleació de gel de P. syringae també és aprofitada per a la producció de neu artificial (Figura 4). 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. ≤ 2°C a 20% humitat, o ≤ -2°C a 60%), la producció s’afavoreix amb l’addició d’agents de nucleació, que poden ser inorgànics, orgànics o la proteïna bacteriana esmentada.

Figura 4. Canons de neu a les pistes d’esquí de Klingenstock, Suïssa - Imatge de Roy Egloff de Wikimedia Commons, llicència de Creative Commons

Microbiologia atmosfèrica i altres creadors de núvols

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 produeixen la pluja o la neu. Els nuclis de condensació de núvols (Cloud Condensation Nuclei, CCN) —també anomenats llavors de núvols— poden ser de molt diversos tipus de micropartícules, de mides al voltant de 0,1 a 1 micròmetre. 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, la sal marina, els sulfats d’origen volcànic o les micropartícules orgàniques resultat de l’oxidació de compostos volàtils. Alguns d’aquests poden ser d’origen industrial, com també el sutge o les altres partícules resultades de la combustió. Un altre origen biològic important dels CCN són els aerosols de sulfats i els metanosulfats produïts a partir del sulfur de dimetil produït pel fitoplàncton dels oceans.

D’altra banda, tenim la controvertida sembra artificial de núvols, que no té res a veure amb els microbis. És la dispersió de substàncies químiques que serveixen de CNN, per tal d’incrementar la precipitació, però també es fan per evitar les pedregades. Les substàncies més emprades són el iodur d’argent i el gel sec (CO₂ sòlid). Els resultats tenen una efectivitat limitada, a banda de l’impacte ambiental i en la salut que suposen, especialment en el cas del iodur d’argent (US GAO, 2024).

Pel que fa als microbis, es pot concloure que 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 d’altres microorganismes sobre la bioprecipitació de pluja i neu. Per conèixer 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 enfocament interdisciplinari de disciplines tan aparentment diferents com l’oceanografia, la genètica bacteriana i la física de l’atmosfera, per exemple.

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.

DeLeon-Rodriguez, 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.

Els, N. et al. (2019) “Microbial composition in seasonal time series of free tropospheric air and precipitation reveals community separation”. Aerobiologia 35, 671–701

Gurian-Sherman, D., Lindow, S.E. (1993) “Bacterial ice nucleation: significance and molecular basis. FASEB J. 7, 14, 1338-1343.

Morris, C.E., Monteil, C.L., Berge, O. (2013) “The life history of Pseudomonas syringae: linking agriculture to earth system processes”. Ann Rev Phytopatol 51:85-104.

Perera, W.A.K., Magana-Arachchi, D.N. (2022). “Microbial Diversity in Rainwater with Correspondence to Particulate Matter and Environmental Factors”. J Sustain Environ Manag 1(4), 410–418.

U.S. GAO (Government Accountability Office) (2024) “Cloud Seeding Technology. Assessing effectiveness and other challenges”. Government Accountability Office GAO-25-107328, 19/12/2024.

NOTA:

Adaptació i actualització de l’article “Els bacteris troposfèrics de la pluja i la neu”, publicat el 28 de juliol de 2013 al blog Bios i altres d’Albert Bordons