Prot. 2022Z7PXKW - Graphite for graphene: digging into the diversity of primary degrading microorganisms

Il grafene è considerato, nell’ultimo decennio uno dei nanomateriali più rivoluzionari, venendo infatti impiegato in molteplici campi nello sviluppo di tecnologie e materiali innovativi. Nonostante i materiali a base di grafene (GBM, graphene based material) e i materiali affini al grafene (GRM, graphene related material) presentino numerosi vantaggi, i prodotti che contengono GBM sono soggetti ad usura e rilascino GRM, il cui accumulo in ambiente è indesiderato. La preoccupazione per la presenza di queste nuove sostanze ha fatto sorgere la necessità di indagare se GBM e GRM possano influenzare gli organismi viventi e la salute umana. Nonostante questa problemantica sia rilevante, e lo sia anche lo scopo più generale di predire il destino ambientale dei GBM negli ambienti terrestri, fino ad oggi pochi studi hanno investigato le dinamiche ambientali del grafene e se organismi decompositori, come ad esempio funghi e batteri saprofiti, siano in grado di degradare i GRM. Una potenziale matrice ambientale dove questi decompositori primari potrebbero trovarsi in gran numero sono i siti di miniera di grafite, essendo la grafite la forma allotropica del carbonio da cui il grafene può essere ottenuto. In tal senso, questo progetto seguirà un approccio che va dal generale al particolare (botto-up), partendo dall’analisi in vivo della diversità microbica associata alla grafite per poi focalizzarsi sulla capacità di tale comunità microbica di degradare i GRM per mezzo di esperimenti mirati in vitro. Tre siti caratterizzate da suoli e rocce ricchi di grafite, e tre siti nelle vicinanze di queste ultime privi di grafite saranno selezionate per il campionamento. Le carote di suolo e le rocce prelevate da questi siti saranno sia analizzate allo scopo di stabilirne le caratteristiche chimico-fisiche, sia utilizzate per l’estrazione di DNA ambientale e l’isolamento in coltura di funghi e batteri. Il DNA ambientale verrà utilizzato per i) approccio di metabarcoding (sequenziamento di ampliconi), al fine di investigare la diversità tassonomica di funghi e batteri, e ii) analisi del metagenoma, al fine di comprendere la diversità funzionale (ricostruendo le pathways metaboliche) dell’intera comunità, sia in presenza di grafite, che in sua assenza. Per consentire il passaggio dall’approccio -omico a sistemi più semplici nei quali testare direttamente le ipotesi di partenza, si procederà anche all’isolamento di colture axeniche di batteri e funghi dalle medesime matrici di suolo usate per le altre analisi. I microrganismi isolati saranno identificati, e almeno tre taxa di funghi e batteri verrano testati in esperimenti in vitro (incubandoli con FLG) al fine di indagare la loro capacità di alterare chimicamente o degradare GRM. I taxa per i quali sarà rilevata una capacità di degradare GRM saranno candidati adatti per ricerche future che abbiano lo scopo di verificare la loro attività enzimatica e la loro capacità di biodegradazione di differenti GBM. La scoperta di microrganismi che sono naturalmente in grado di degradare il grafene (essendo stati isolati da substrati ricchi di grafite) permetterebbe quindi il loro uso come biodegradatori di sostanze come i GRM, che si accumuleranno inevitabilmente in ambiente per via del loro uso massivo.

In the last decades, graphene has represented a groundbreaking nanomaterial which has been employed in many fields of innovative technologies. Although graphene-based materials (GBMs) bring several advantages, they will eventually degrade, break and be disposed of, potentially leading to an inadvertent and undesirable accumulation of graphene into the environment. Concerns about the presence of these new substances have arisen the need to study whether graphene potentially affect living organisms and human health. Despite this important issue and the general aim of predicting environmental the fate of graphene in terrestrial ecosystems, so far only few studies have tested whether natural degraders, such as saprotrophic fungi and bacteria, are able to degrade it. Being graphite the carbon allotrope from which graphene is obtained, graphite mining sites may be potential hotspots of microorganisms where these primary degraders could be found. Thus, this proposal will pursue a bottom-up approach starting from the in vivo analyses of graphite-associated microbial diversity to the in vitro evaluation of its capacities of biodegrading graphene. Three areas with graphite-rich soil and rock debris in Western Alps, and three neighboring graphite-free areas will be sampled. Here, soil core samples and rock debris will be collected and characterized for their chemical and physical properties, and will be used for extraction of environmental DNA (eDNA) and culture isolations of bacteria and fungi. eDNA will be processed for i) metabarcoding (amplicon sequencing) to characterize the taxonomic diversity of fungi and bacteria, and ii) metagenomic analyses to characterize the functional diversity (signatures of metabolic pathways) of the whole communities both graphite-associated and not. In order to translate the results from the omics studies into testable and reliable models, the isolation of single and pure bacteria and fungal strains will also be performed from the core samples. The isolated microorganisms will be identified and at least three bacteria and three fungi will be selected and tested in vitro (incubating them with few layers graphene (FLG), the material most similar to graphite and graphene) for their capacity of chemically altering or degrading graphene, thus potentially affecting its reactivity and environmental toxiciy. The taxa for which graphene-degrading capacities will be detected will also stand as suitable candidates for forthcoming researches aimed at testing their enzymatic activities and biodegradation capacities on diverse GBMs. Thus, the discovery of microorganisms which are naturally able to degrade graphene (because isolated directly from graphite-rich substrates) would advocate their use as natural biodegraders of graphene that will unavoidably accumulate in the environment due to its massive use.