Microbiologia applicata all'ambiente

Lezione di microbiologia - 21 febbraio 2023

Esame scritto

Esame scritto in 6 domande sulle varie parti.

Argomenti del corso

• Evoluzione degli organismi viventi che sono 3 e delle quali 2 sono procarioti, questo mostra anche come sia diverso il mondo procariotico, l'adattabilità, ecc. (storia).
• Sistema molecolare.
• Morfologia e citologia.
• Tecniche di laboratorio (utili per capire i dati ottenuti tipo la sterilizzazione).
• Come crescono gli organismi in laboratorio e viceversa.
• Cosa influenza la crescita batterica.
• Diversi tipi di batteri (nitrificanti o nitrato riduttori) ecc.
• Correlazione tra microbiologia ed ecologia microbica, l'interazione con le piante tipo la fitodepurazione, rizodepurazione, ecc.
• Microbiologia ambientale: depurazione acque, biorisanamento, compostaggio, bio lisciviazione dei metalli, microbiologia industriale, microrganismi e beni culturali.

Quindi il corso è articolato in 3 parti che sono quelle colorate soprastante.

Introduzione

La microbiologia è lo studio dei microrganismi, che sono organismi microscopici come batteri, virus, funghi e protozoi. La storia della microbiologia ha radici antiche, ma il vero inizio come disciplina scientifica può essere attribuito al XVII secolo. Microbiologia è la biologia in termini microscopici attorno al micron e lo strumento principe è il microscopio. Ci sono diverse branche: batteriologia, micologia, virologia.

La batteriologia è la branca della microbiologia che si occupa dello studio dei batteri. La micologia è la branca della microbiologia che si concentra sullo studio dei funghi, inclusi i lieviti e le muffe. La virologia è la branca della microbiologia che si occupa dello studio dei virus.

Ovviamente ci sono delle scienze di base quali: citologia, biochimica, biologia molecolare genetica, tassonomia sistematica. La citologia è la scienza che si occupa dello studio delle cellule, inclusi i microrganismi cellulari come i batteri e i protozoi. La biochimica studia le reazioni chimiche che avvengono negli organismi viventi, compresi i processi metabolici dei microrganismi.

La biologia molecolare e la genetica si concentrano sull'analisi del materiale genetico dei microrganismi, come il DNA e l'RNA, e sullo studio dei meccanismi molecolari che regolano la loro funzione e la loro diversità genetica. La tassonomia sistematica si occupa della classificazione, della nomenclatura e della catalogazione dei microrganismi, contribuendo alla comprensione delle relazioni filogenetiche e alla sistemazione in alberi tassonomici.

I microrganismi sono sempre stati considerati come causa delle malattie, però in questo periodo storico c'è un uso massiccio di agenti microbiotici che fanno bene tipo microbiota intestinale (fermenti lattici). Esistono pure organismi che fanno danni alle piante, esempio, alcune malattie delle piante sono causate da funghi, batteri o virus che attaccano le colture agricole e riducono la resa dei raccolti.

D'altra parte, ci sono anche batteri benefici che possono migliorare lo stile di vita delle piante, esempio, alcuni batteri del suolo formano relazioni simbiotiche con le radici delle piante, fornendo loro nutrienti essenziali come l'azoto, promuovendo la crescita e proteggendo le piante da patogeni dannosi. Questa interazione benefica tra le piante e i batteri è nota come fissazione biologica dell'azoto e viene sfruttata in agricoltura per migliorare la fertilità del suolo e ridurre l'uso di fertilizzanti chimici.

Anche la muffa sul pomodoro è considerato un micete. Molte industrie si sono adattate all'uso di biomasse batteriche. I batteri possono essere utilizzati in diverse applicazioni industriali, come la produzione di alimenti fermentati, i processi di fermentazione per la produzione di bevande come lo yogurt, il vino e la birra, e la produzione di sostanze chimiche, farmaci e bioplastiche.

Storia

La storia della microbiologia è fondamentale per comprendere lo sviluppo della nostra conoscenza sui microrganismi e l'importanza che essi hanno nella salute, nell'agricoltura, nell'industria e in molti altri settori. Nel 1670, il pioniere olandese Antonie van Leeuwenhoek fu il primo a osservare i microrganismi utilizzando microscopi di sua creazione. Con i suoi semplici microscopi, riuscì a scoprire una vasta gamma di microrganismi, tra cui batteri, protozoi e altri organismi unicellulari.

Successivamente, nel 1680, venne inventato il primo microscopio composto, che consentiva una maggiore risoluzione e una migliore visualizzazione dei microrganismi. Questo avanzamento tecnologico ha aperto la strada a ulteriori scoperte e progressi nella microbiologia. Successivamente diversi scienziati appartenenti alla generazione spontanea supponevano che i batteri si riproducevano in maniera spontanea da materia organica in decomposizione, ma le ipotesi di Pasteur cambiarono tutto.

Pasteur sfidò questa teoria attraverso una serie di esperimenti ben progettati. Nel 1864, eseguì l'esperimento famoso noto come l'esperimento di Swan Neck o fiasca a collo di cigno, in cui sterilizzò un brodo nutritivo contenuto in un recipiente con un lungo collo a forma di S, che impedisce l'accesso diretto dei microrganismi dall'ambiente esterno. Pasteur dimostrò che, nonostante il brodo fosse esposto all'aria, nessun microrganismo si sviluppava nel brodo stesso, indicando che l'origine dei microrganismi era esterna e non spontanea.

La vita microbica non si origina spontaneamente, ma viene da fonti esterne, come la contaminazione da microrganismi presenti nell'ambiente. Robert Koch, un noto scienziato tedesco, fu uno dei pionieri nello stabilire un collegamento diretto tra i microrganismi e le malattie. Nel 1876, Koch condusse una serie di esperimenti che gli permisero di identificare il bacillo responsabile della tubercolosi, Mycobacterium tuberculosis, come agente eziologico della malattia.

Koch sviluppò una serie di criteri noti come "postulati di Koch" per dimostrare in modo definitivo che un determinato microrganismo è la causa di una specifica malattia. Le scoperte di Koch e i successivi progressi nella microbiologia hanno contribuito a svelare una serie di correlazioni tra batteri, funghi, fermentazione e altri processi biologici. Le interazioni tra batteri e funghi sono diverse e possono essere sia benefiche che dannose, ad esempio, nell'ambito della fermentazione, batteri e funghi possono lavorare insieme per trasformare i substrati in prodotti desiderati come yogurt, formaggio, pane e bevande alcoliche.

Allo stesso tempo, alcune malattie delle piante sono causate dall'interazione tra funghi patogeni e batteri, ad esempio, la malattia del fuoco batterico nelle piante è causata da un batterio chiamato Erwinia amylovora che interagisce con funghi del genere Monilinia per infettare le piante ospiti. Inoltre, la presenza di batteri e funghi nel suolo è essenziale per il ciclo dei nutrienti e la salute del suolo stesso. Il DNA fu scoperto nel 1953 da James Watson e Francis Crick, che proposero la struttura a doppia elica del DNA.

Successivamente, negli anni '70, fu scoperto un terzo dominio della vita chiamato Archaea. Inizialmente, gli Archaea furono erroneamente classificati come "batteri primitivi" o "batteri estremofili" a causa delle loro caratteristiche simili a quelle dei batteri, ma successivamente vennero riconosciuti come un gruppo distinto con differenze significative nella struttura cellulare e nella composizione del DNA.

Virus

I virus sono stati inizialmente scoperti e studiati per il loro effetto patogeno sulle piante. Nel 1892, il botanico russo Dmitri Ivanovsky scoprì che un agente infettivo responsabile della malattia del mosaico del tabacco poteva passare attraverso un filtro che trattenesse i batteri, suggerendo che l'agente patogeno era di dimensioni molto più piccole. Questa scoperta segnò la prima evidenza indiretta dell'esistenza dei virus.

Successivamente, nel 1915, il batteriologo britannico Frederick Twort e l'immunologo francese Félix d'Hérelle indipendentemente scoprirono i batteriofagi, virus che infettano i batteri. Questa scoperta aprì la strada allo studio dei virus batterici, noti come fagi o batteriofagi, e dimostrò che i virus potevano infettare non solo le piante, ma anche i batteri. La biodiversità dei virus è estremamente ampia. I virus possono variare notevolmente in termini di dimensioni e morfologia.

La maggior parte dei virus è nell'ordine dei nanometri, ci sono virus più grandi che possono raggiungere dimensioni nell'ordine dei micron. A causa delle loro dimensioni estremamente ridotte, è difficile visionare direttamente i virus utilizzando i microscopi ottici tradizionali, che hanno una risoluzione limitata a causa della lunghezza d'onda della luce visibile. Per lo studio dei virus, vengono spesso impiegati microscopi elettronici, che utilizzano fasci di elettroni al posto della luce per ottenere immagini ad altissima risoluzione.

L'esempio del fago (batteriofago) e del COVID-19 (causato dal virus SARS-CoV-2) rappresentano due tipi di virus molto diversi tra loro. Il fago è un virus che infetta i batteri, mentre il SARS-CoV-2 è un virus che infetta gli esseri umani. Questi due esempi evidenziano la vasta gamma di ospiti che i virus possono colpire e le diverse malattie che possono causare.

Basi della microbiologia

Tutti gli organismi viventi si sono distribuiti in 3 domini

• Bacteria: i batteri sono organismi unicellulari che si trovano in quasi tutti gli ambienti della Terra. Sono procarioti, il che significa che mancano di un nucleo e di altri organelli delimitati da membrana. I batteri possono essere benefici o nocivi per gli esseri umani e svolgono importanti ruoli nei processi come la digestione, la fissazione dell'azoto e la decomposizione.
• Archaea: anche gli Archaea sono organismi unicellulari, ma sono più strettamente correlati agli organismi eucariotici che ai batteri. Sono anche procarioti e possono essere trovati in ambienti estremi come sorgenti termali, distese di sale (NaCl>30%) e fumarole sottomarine. Gli Archaea possono essere classificati in diversi tipi in base ai loro processi metabolici.
• Eukarya: gli eucarioti sono organismi che hanno cellule con un nucleo e altri organelli delimitati da membrana. Gli eucarioti includono una vasta gamma di organismi, dalla singola cellula ai multicellulari complessi, come piante e animali. Gli eucarioti sono responsabili di molte funzioni vitali, come la fotosintesi, la riproduzione e la comunicazione cellulare.

Le prime due sono cellule procariotiche (anche se la seconda è tutte e due), mentre la terza è eucariotica. I tre domini sono rappresentati da un diagramma filogenetico. L'albero filogenetico è un diagramma a forma di albero che rappresenta le relazioni evolutive tra le diverse specie di organismi viventi. Questo tipo di diagramma è utilizzato in biologia evolutiva e in tassonomia per mostrare l'evoluzione delle specie attraverso il tempo e per indicare le relazioni di parentela tra di esse.

L'albero filogenetico si basa sull'idea che tutte le specie viventi hanno un antenato comune e che la diversità biologica presente oggi è il risultato di molte ramificazioni successive nel corso della storia evolutiva. Le specie più strettamente correlate sono rappresentate come rami vicini, mentre quelle meno strettamente correlate sono posizionate su rami più distanti dell'albero. Archea sono un insieme di Bacteria e Eukarya.

La cosa che bisogna capire di questo albero è che non è basata su una tassonomia sistematica o sul microscopio, ma basata su un confronto (analisi) di sequenze di rRNA ribosomiale. Questa analisi ha permesso di distribuire in modo ogni organismo vivente sia distribuito equamente e con un senso. Questo studio è uno dei più recenti della microbiologia (parliamo di 10 anni fa circa).

Il mondo procariotico è estremamente variabile perché i microrganismi sono ancora molto sconosciuti, ciò che noi possiamo far crescere è solo il 10% circa, tutto il resto è da scoprire. La scoperta di nuovi microbi è un campo in continua evoluzione e le nuove tecnologie e metodi di sequenziamento del DNA hanno reso possibile identificare e caratterizzare una maggiore varietà di microrganismi.

Una delle tecniche comuni per identificare i microrganismi è la sequenza dell'rRNA ribosomiale, in particolare dell'RNA ribosomiale 16S per i batteri e dell'RNA ribosomiale 18S per gli eucarioti. Dopo aver ottenuto la sequenza dell'rRNA ribosomiale, questa viene confrontata con le banche dati esistenti per identificare possibili corrispondenze con specie già conosciute. Se la sequenza non corrisponde a microrganismi precedentemente caratterizzati, potrebbe indicare la presenza di un nuovo agente microbico non ancora descritto.

Banche dati utili sono National Center for Biotechnology Information (NCBI) o il European Nucleotide Archive (ENA). Una sfida importante nella scoperta di nuovi microrganismi è la capacità di coltivarli in laboratorio.

Eucarioti e procarioti

Eukarya è molto ampio ed è eucariotica, ma Bacteria e Archaea sono cellule procariotiche. Le cellule eucariotiche hanno un nucleo, mentre quelle procariotiche non hanno un nucleo. Gli eucarioti sono più complessi, mentre i procarioti sono più semplici. La cellula eucariotica è strutturalmente più complessa rispetto alla cellula procariotica. La sua struttura è caratterizzata da una serie di organuli e compartimenti intracellulari che svolgono funzioni specifiche.

All'interno si trova: nucleo, reticolo endoplasmatico, mitocondri, apparato del Golgi, lisosomi, vacuoli, citoscheletro. Questi organuli lavorano in sinergia per svolgere le varie funzioni cellulari, tra cui la sintesi proteica, la produzione di energia, la comunicazione cellulare, il trasporto intracellulare e molto altro.

Escherichia coli (E. coli) è un batterio che appartiene al genere Escherichia e alla famiglia Enterobacteriaceae. La forma di E. coli è generalmente bastoncellare o bacillare, con una lunghezza di circa 1-3 micron e un diametro di circa 0,5-1 micron. Questa forma allungata a bastoncello è una caratteristica comune dei batteri appartenenti alla famiglia Enterobacteriaceae.

La divisione cellulare di E. coli avviene attraverso un processo chiamato scissione binaria o fissione binaria. Durante la scissione binaria, la cellula madre di E. coli cresce e si allunga, quindi il DNA cromosomico viene replicato. Successivamente, il DNA duplicato si separa e si sposta verso le estremità opposte della cellula, mentre la membrana cellulare inizia a invaginarsi al centro. Infine, la membrana si chiude, separando fisicamente i due cromosomi duplicati e formando due cellule figlie identiche. La scissione binaria è un meccanismo comune di riproduzione cellulare tra i batteri.

La cellula procariotica è un tipo di cellula che si trova nei batteri e negli Archaea. Rispetto alle cellule eucariotiche, le cellule procariotiche sono caratterizzate da alcune differenze strutturali e funzionali. Una delle caratteristiche distintive delle cellule procariotiche è la mancanza di un nucleo ben definito.

Il materiale genetico, sotto forma di un singolo cromosoma circolare di DNA, è contenuto in un'area chiamata nucleoide all'interno della cellula. Inoltre, le cellule procariotiche di solito non possiedono organuli interni delimitati da membrane, come mitocondri, reticolo endoplasmatico o apparato del Golgi, che sono presenti nelle cellule eucariotiche.

Ma quello che interessa è: citoplasma (tutto quello che contiene il DNA nucleoide disperso), membrana cellulare, parete cellulare e materiale nucleare (l'unico cromosoma batterico che contiene tutte le informazioni). All'interno del citoplasma, è presente il nucleoide, che è la regione in cui il DNA batterico è disperso. La membrana cellulare è una struttura sottile e flessibile che circonda il citoplasma delle cellule procariotiche. Regola il movimento delle molecole all'interno e all'esterno della cellula e svolge un ruolo chiave nel mantenimento dell'omeostasi cellulare.

La membrana cellulare delle cellule procariotiche è composta da un doppio strato lipidico con proteine integrate che svolgono diverse funzioni, come il trasporto di nutrienti e l'interazione con l'ambiente esterno. La parete cellulare è una struttura rigida e resistente che si trova al di fuori della membrana cellulare delle cellule procariotiche. La parete cellulare conferisce protezione meccanica e supporto strutturale alla cellula e aiuta a mantenere la sua forma. La composizione della parete cellulare può variare tra diversi tipi di batteri, ma uno dei componenti più comuni è il peptidoglicano, un polimero di zuccheri e peptidi.

Il materiale nucleare delle cellule procariotiche è costituito da un unico cromosoma batterico che contiene tutte le informazioni genetiche necessarie per la sopravvivenza e il funzionamento della cellula. La cellula può avere delle piccole vescicole di aria, possono fornire alla cellula una galleggiabilità regolabile, consentendo al batterio di regolare la sua posizione nella colonna d'acqua. In particolare, le vescicole di gas sono spesso riscontrate nei batteri fotosintetici che vivono in ambienti acquatici.

Poi c'è il pilo che è composto principalmente da una proteina chiamata pilina e può essere coinvolto in diverse funzioni. Una delle principali funzioni del pilo è quella di facilitare l'adesione delle cellule a superfici solide o a cellule ospiti. I pili possono anche svolgere un ruolo nella formazione di aggregati.