Microbiologia applicata e ambientale

Microbiologia applicata e ambientale

Prof.ssa Adessi

Microbiologia applicata e ambientale

Prof. A. Adessi

Chi sono i microrganismi?

Tutti gli organismi rientrano nell’albero filogenetico universale divisi in batteri, archea e eucarioti. I microrganismi si vedono soltanto a microscopio e in particolare elettronico. Ci sono tanti microrganismi, la vera questione è chi non lo è. Non sono organismi, nell’albero filogenetico universale, soltanto alcuni, piante, funghi e animali.

Esistono batteri fototrofi e chemiotrofi, un organismo può usare come fonte di energia o la luce, o composti chimici, autotrofi o eterotrofi, organotrofi e litotrofi, se la fonte del potere riducente, derivante dall’esterno, è organica o inorganica. L’organismo è autotrofo o eterotrofo rispetto all’origine della fonte di carbonio utilizzata. Gli esseri umani sono chemio organo eterotrofi. Molti microrganismi mescolano queste caratteristiche. Il lievito o E.coli sono chemio-organo-eterotrofi, come l’uomo, la micro-alga come la Spyrogira è invece simile a una pianta, foto-lito-autotrofi. Questi organismi possono anche essere aerobi o anaerobi.

Genericamente i microrganismi sono molto versatili, hanno esigenze metaboliche piuttosto semplici, normalmente il pH è intorno alla neutralità, eccetto per i batteri estremofili, e la temperatura preferita non è sempre la stessa. Spesso sono molto piccoli, con dimensioni di 1-2 micron. Alcuni arrivano anche a 10 micron, rimanendo però sempre in questo ordine di grandezza. I bacilli e i clostridi sono microrganismi che formano le spore, endospore o esospore. I batteri coltivabili su terreno solido formano colonie che variano per forma, struttura, dimensione, aspetto e necessità. Hanno un ruolo in quasi tutto ciò che ci circonda. I batteri si riproducono per scissione binaria, non sempre simmetrica. Alcuni batteri sono motili e possono muoversi nell’ambiente circostante.

Alcuni microrganismi delle varie classi

• Actinomiceti. Tra i procarioti ritroviamo la classe di appartengono quei microrganismi che sembrano muffe, ma sono batteri, quindi sono procarioti ma hanno la stessa forma che hanno muffe e funghi. Sono geosmine dette elementi che vengono prodotti dagli actinomiceti nella terra, soprattutto quando bagnata. Gli actinomiceti sono molto diversi, sono filamentosi o anche unicellulari. Quelli filamentosi sono anche sporigeni. La diversità tra actinomiceti non è così vasta come tra tutti i batteri in generale, sono una classe di batteri di norma chemiotrofi, eterotrofi e aerobi. Sono altamente sfruttati per la produzione di antibiotici e anche vitamina B12, o anche farmaci a base di steroidi. Il genoma di un actinomicete è lineare, a differenza plasmidico circolare di quello batterico, raccolto in un solo cromosoma. Ci sono informazioni che regolano il ciclo vitale dell’actinomicete, che è molto più complesso di quello batterico. Alcuni actinomiceti sono anche patogeni.
• Gli archea sono stati scoperti in ambienti estremi, in origine non si pensava che questi ambienti fossero compatibili con la vita. In realtà gli Archea sono organismi molto particolari, dimensionalmente e di struttura molto simili a batteri, ma per il metabolismo sono più simili agli eucarioti, quindi sono per l’organismo umano estranei, ma la cosa particolare è che sono stati generalmente trovati in ambienti estremi. Questo fatto è ancora utile. Ad esempio ci si chiede come questi organismi possano vivere in super-hero protein ambienti così stressanti e quali meccanismi di riparazione possiedono. Si parla di che ha un tasso di riparazione del DNA così alta che viene usata come base per ricercare vie di correzione al genoma anche in cellule umane, per esempio tumorali. Si riproducono per gemmazione e scissione. Non sono stati trovati ancora archea che danno sporulazione. Sono ambienti estremi per temperatura, pH, per salinità, per pressioni molto elevate, profondità marine ad esempio. Non tutti ovviamente sono estremi, ma anche molti sono nell’intestino, suoli e oceani.
• Lievito Saccaromices Cerevisiae. Fa parte degli eucarioti. Un esempio è il è un lievito che gemma per riprodursi. Sulla cellula del lievito, quando gemma, ci sono poi delle cicatrici. Diventa vecchia la cellula di lievito, quando non può più gemmare, poiché tutta la superficie è ricoperta da cicatrici, poiché su una cicatrice il lievito non può più originare una gemmazione. Il lievito gemma quando va incontro a mitosi, duplica il materiale genetico e lo trasferisce alla gemma figlia. La cosa particolare del lievito è che quando il lievito è in scarsità di nutrienti, invece di smettere di crescere, ha la strategia di produzione di ASCO. spore. I lieviti sono funghi che fanno spore tenendole dentro a un Le spore del lievito sono aploide. quattro tipi. Ognuna corrisponde a un’informazione Le spore aploidi possono avere un ciclo vitale così come è dividendosi per mitosi, rimanendo apolidi. Quando invece la spora trova un corrispondente, quando quindi la spora A trova la spora alfa, il lievito da luogo a divisione sessuata, portando avanti il genoma di A e alfa. Per meiosi si ripristina poi lo stato aploide. Il lievito ha 16 cromosomi. Esistono anche però lieviti tetraploidi, ottaploidi e anche quindi aploidi. Il lievito, con la sua fermentazione alcolica, produce anche etanolo, utilizzato come biocombustibile come bio-fuels. È anche un tool biotecnologico, infatti è uno dei più studiati, ben conosciuto e quindi utilizzato per scopi di ingegnerizzazione di ogni tipo. Viene anche usato spesso come modello per le cellule eucariotiche.
• Muffe, ife. Le appartengono sempre al mondo dei funghi, e sono morfologicamente caratterizzate dalle miceli, che formano i protusioni della muffa. Possono essere prive di setto, cenocitiche, oppure con setto, a sua volta intero o parziale. Essendo un organismo eucariotico, però c’è anche un netto passaggio di fluido. Quindi posso avere una parte di ifa dove ci sono più nuclei, più organuli cellulari e altre ife invece prive di tutto ciò. L’altra caratteristica è la particolare strutturazione tridimensionale. L’Aspergillus ha un corpo che porta i conidi. Si trova quindi una delle cellule che formano l’ifa, che formano il piede, la cellula piede genera il conidiophoro e in cima ci sono i conidi, che si staccano dal conidiophoro, che vengono aspersi.
• I protozoi sono cellule eucariotiche unicellulari, spesso sono mobili, con flagelli e ciglia. Si nutrono per inclusione o ingestione e, per questa ragione, sono stati inseriti nel regno degli animali. Sono come loro chemiotrofi-eterotrofi-organotrofi. Normalmente crescono a pH acido e a temperature 30°C. Sono molto diffusi nell’ambiente, molti sono patogeni e molti sono però anche utili. Sono eterogenei per la forma cellulare. Alcuni famosi sono l’ameba, si muove con pseudopodi, il paramecio, è ciliato, e la Giarda. Le patologie date da protozoi sono varie e anche gravi. Molti protozoi sono utili e si trovano nelle fanghi attivi, complesse comunità microbiche, come nei sistemi che permettono di depurare le acque.
• Le microalghe per un lungo periodo sono state inserite nel regno delle piante. Una microalga è unicellulare, tuttavia fa più o meno ciò che fa una pianta sotto l’aspetto della fotosintesi clorofilliana. Di norma sono fotosintetiche-autrotrofe-ossigeniche-autotrofe. Possono però essere anche eterotrofe mixotrofe. oppure anche El microalghe fanno fotosintesi, ma in condizioni particolari, quindi in presenza di carbonio esterne, usano le fonti organiche già disponibili all’esterno. In alcune fasi di crescite ad esempio possono essere anche soltanto etereotrofe e sospendere la fotosintesi. Sono molto versatili e molto poco esigenti. Sono molto diffuse nell’ambiente. L’ematococcus è quella microalga che si Scenedesmus trova nell’aria e scende con la pioggia. sono microalghe che si dispongono a quartetti. Microasterius Spyrogira è una cellula molto grande, mentre la è fatta da un’elica, come una spirale. Le microalghe sono sfruttate per alcune applicazioni, tipo alimentari. Si ha anche la produzione di bio-diesel o la depurazione di acque reflue, sfruttando la possibilità di crescere in condizioni di mixotrofia, autotrofia e eterotrofia.

Dove troviamo i microrganismi?

I microrganismi stanno in ambienti molto diversi e vari. Si parla di ambiente e microambiente. Il nicchia microrganismo si relaziona infatti con un microambiente. All’interno di esso di parla di come ambiente dove il microrganismi trova le condizioni migliori per svilupparsi e dentro a una nicchia esistono dei microambiente o la nicchia può essere essa stessa parte di un microambiente, infatti la nicchia non è un vero ambiente fisico, mentre lo è un microambiente e viene definito da vari parametri, variabili dentro a una nicchia di un microambiente e variabili dentro al microambiente stesso.

Se si parla di terreno, quindi di suolo, se vedo le particelle del suolo, esse sono molto eterogenee, sono infatti composte da materia sia organica che inorganica, tanti microrganismi, aria e acqua. Un microambiente di può definire in base allo ossigeno. microambiente superficiale parametri di Si identificano quindi molti microambienti, un ha la [ossigeno] uguale all’aria, il 21%; un microambiente più interno invece è molto più scarso di ossigeno, con anche assenza di ossigeno, sebbene si parli di differenze di profondità di mm. Questa differenza è enorme per un microrganismo. Quindi un microrganismo vive in profondità solo se è anaerobio, altrimenti morirebbe. All’interno dello stesso microambiente posso avere microrganismi aerobi, microaerofili, aerobi che non gradiscono [ossigeno] pari a quella atmosferica, ma più bassa, e anaerobi facoltativi, e sono sostanzialmente ovunque potendosi adattare in condizioni sia di presenza di ossigeno che non, o obbligati.

Suolo

Suolo: l’ambiente suolo è identificato come la matrice più esterna della crosta terrestre e anche la più inomogenea, formatasi infatti per processi piuttosto dilazionati nel tempo che hanno a che fare con dinamiche complesse, sia con la composizione del suolo, argillare, terroso ..., ha a che fare con la topologia, ovvero la collocazione, con l’influenza climatica, e anche per azione degli stessi organismi, sia superiori, piante e animali, sia i microrganismi. Il suolo ha una diversa composizione, suddiviso in orizzonti, dal superficiale al profondo:

• Orizzonte O, fatto dalla lettiera, o litter, ovvero materiale organico grossolano. Avvengono le precipitazioni che verranno raccolte e si ha il cosiddetto litching, ovvero si assorbe il materiale e portato in profondità. Si vede che infatti la matrice organica è molto maggiore in superficie che in profondità, evidente anche per il gradiente di colorazione del suolo. È la regione di origine delle radici delle piante, perché è l’orizzonte maggiormente ricco di nutrienti, organici e anche acqua. In questo orizzonte agiscono anche vari animali, dai vermi, che metabolizzano la sostanza organica trasformandola, alle radici. In questa regione è anche presente una certa [ossigeno], in concentrazione decrescente dalla superficie alla profondità. Quindi ossigeno, luce, acqua nutrienti P, S. ritroviamo e N. Rispetto alla presenza o meno di acqua nel suolo, suoli desertici aridi. si trovano suoli estremi, ovvero i In questi suoli il passaggio tra gli orizzonti è molto rapido e c’è una forte differenza. La difficoltà di sopravvivenza in questi ambienti, sicuramente deriva da assenza di acqua, di struttura del suolo, di temperature elevate, presenza di radiazioni solari forti, UV, e non limitate, esempio da vegetazione. Alcuni organismi sopravvivono a queste condizioni estreme. Sono croste solide biologiche organismi che formano che sono delle croste superficiali. Ci sono degli poichiloidrici organismi definiti che sopravvivono a lunghi periodi di assenza di acqua. Si uniscono in associazioni dette croste, intimamente legate alle particelle del suolo e sono fatte da cianobatteri, alghe e funghi, e anche, in stadi avanzati e in condizioni favorevoli, da muschi e licheni. Sono microrganismi che entrano in stato silente nel momento in cui si disidratano, percependo periodi di disidratazione, attivando meccanismi di resistenza alla mancanza di acqua e producendo quei sistemi tali che, anche con la presenza anche di una singola goccia d’acqua, di riattivarsi. Chiaramente la maggior parte sono microrganismi fotosintetici, infatti sono ambienti con quasi totale assenza di nutrienti, solo un autotrofo riesce infatti a sopravvivere in questi ambienti. Questi microrganismi, così efficienti, sono anche definiti ingegneri degli ecosistemi.
• Orizzonte A, topsoil, detto anche o anche sovrasuolo, ovvero il primo orizzonte.
• Orizzonte E, subsoil, detto anche ovvero il sottosuolo, un orizzonte di transizione. Cambiano molte condizioni rispetto ai due orizzonti precedenti, soprattutto per la [ossigeno]. Il sottosuolo è profondo in modo variabile, da pochi mm a decide di metri a chilometri. I microrganismi si pensava si trovassero soltanto entro i primi 100m di profondità, invece, recentemente, si sono trovati anche a alte profondità, anche di 3 km. A queste profondità è stato anche osservato che questi microrganismi hanno anche alcune centinaia di migliaia di anni, non si trovano quindi solo in un luogo molto lontano dalla superficie, ma sono anche molto vecchi, e anche vivi, non in condizione di fossili o in stato di quiescenza. Significa che hanno un lentissimo metabolismo e non si conoscono curva di crescita, non potendo misurare quindi il periodo di crescita. Le condizioni estreme del sottosuolo vedono una assenza di ossigeno, di luce, ma c’è invece acqua e vari nutrienti, N, P, S, elementi metallici, portati per precipitazione dagli strati superficiali del suolo, alcuni elementi inorganici, soprattutto gli elementi metallici, più si va in profondità più aumentano. Infatti molti microrganismi si basano su respirazione data da metalli, in cui gli accettori di elettroni della respirazione cellulare sono dei metalli. C’è anche un altro aspetto, ovvero che il sottosuolo è più caldo della superficie, più si va in profondità più aumenta. Non solo, un altro parametro nel sottosuolo che varia notevolmente è il pH, determinando le caratteristiche delle comunità microbiche che ci possiamo trovare.
• Orizzonte C, sempre appartenente al sottosuolo.
• Letto di rocce.

I microrganismi vivono anche sopra le rocce, anche qua, dove non c’è suolo, si possono ritrovare microrganismi epilitici, microrganismi, come quelli detti ovvero che stanno al di sopra della pietra. Normalmente sono fotosintetici perché sono in condizioni di scarsa quantità di nutrienti. Ci sono però anche microrganismi non fotosintetici ma che vivono a spese di microrganismi fotosintetici. Ci sono dei visibili fotosintetici che si trovano nella roccia, ovvero nascosti dentro alle rocce. Ci sono sia endolitici che criptoendolitici. altri invece più nascosti, detto infatti Anche questi sono fotosintetici e prendono la luce anche se sono dentro alla cellula, o perché necessitano di scarsa luce o anche perché scavano dei canalicoli nella roccia, a partire da regioni subito al di sotto della superficie. Sono subito al di sotto della superficie ad esempio perché sulla superficie esterna le radiazioni UV sono troppo forti.

Aria

I microrganismi si trovano anche nell’aria. Nell’aria ci sono sia molecole, di gas, soprattutto N e O, sia ciò bioaerosol, che compone il ovvero sospensioni di particelle nell’aria. Le dimensioni aumentano, partendo da piccole proteine, virus, batteri, spore e polline. Le parti più grosse in sospensione è raccolto da nebbia e nuvole, cadendo con le precipitazioni atmosferiche. Il raccoglimento da parte di nuvole o nebbia, significa che gli aerosol hanno una diffusione locale, ma possono avere anche una diffusione di lunghissimo raggio, nel momento in cui un aerosol contiene una particella batterica o una spora, questi possono essere trasportati anche a distanze elevate. Si depositano o nel suolo o nell’acqua. Su una qualunque superficie con la caduta ad esempio di una goccia di pioggia, le particelle rimbalzano sul suolo e ricadono con molti schizzi. I microrganismi nel bioaerosol dipende dalle dimensioni delle particelle che formano, ma normalmente non hanno una particolare attività metabolica, infatti nell’aria non ci sono particolari abbondanze di nutrienti diversi, che li incontrano invece ricadendo sul suolo.

Acqua

Insieme la suolo è un macroambiente in cui ci sono la maggior parte di microrganismi. In acqua si trova ossigeno, luce, presenza o assenza, diversa salinità, diversa temperatura, effetto della profondità sulla pressione e nutrienti, N, P, S. Quando parliamo di acque, sia dolci che salate fissiamo dei termini, in particolare si definisce:

• Zona pelagica, è nell’acqua.
• Zona bentica, è nei sedimenti.
• Zona fotica, con luce.
• Zona afotica, senza luce.
• Zona neritica, vicina alle coste.
• Zona oceanica, quando si parla di acque salate, in regioni lontane dalla costa.
• Zone abissali, regioni a profondità elevata.

Sono tutti ambienti diversi l’uno dall’altro, presentanti caratteristiche diverse sia per i macro organismi che, soprattutto per microrganismi. Nelle acque c’è una grande interattività, sia tra microrganismi che tra microrganismi e organismi superiori, determinando un grande peso sui cicli bio-geochimici, soprattutto nel Phytoplankton ciclo del carbonio e dell’ossigeno. I infatti sono organismi fotosintetici, in acque sono l’unica fonte di ingresso del carbonio