Microbiologia

CICLO DELL’AZOTO Nel caso dell’azoto la fonte più abbondante sulla

Terra è l’azoto atmosferico. L’azoto atmosferico

è una molecola biatomica e i due atomi sono

tenuti insieme da tre legami covalenti; questo crea

una grande difficoltà nello scindere i legami ed è

anche per questo che l’azoto è considerato un gas

inerte, perché data la presenza di questi tre legami

difficilmente reagisce, e serve una grande quantità

di energia per scindere la molecola.

L‘industria chimica lo fa, spendendo una grande

quantità di energia, ma in natura esistono

microrganismi capaci di fare questo lavoro,

quindi di prendere l’azoto atmosferico e trasformarlo in NH L’ammoniaca è una sostanza fortemente

3.

alcalina ed estremamente dannosa per gli organismi viventi, per cui non viene assolutamente

accumulata all’interno della cellula, ma viene immediatamente utilizzata per la produzione di

amminoacidi e finisce quindi nella produzione di proteine.

Tutto questo poi entra nel ciclo e l’azoto fissato, i sali e altri composti saranno utilizzati dalle piante,

ma contemporaneamente ci sono dei processi, senza entrare nei dettagli, che consentono di liberare

l’azoto fissato e restituirlo sotto forma di gas all’atmosfera.

Focalizzandosi sulla fissazione dell’azoto atmosferico, si può trovare una curiosità nell’applicazione

all’agricoltura. Infatti gli agricoltori si erano resi conto che c’erano dei grossi problemi nell’utilizzo

dei campi per la coltivazione di specie agricole di interesse economico. Avevano visto che se lo stesso

appezzamento di terreno veniva seminato anno dopo anno con la stessa specie vegetale dopo un certo

periodo di tempo la resa calava. Per risolvere questo problema i campi venivano regolarmente messi

a riposo o venivano coltivati con specie vegetali ben precise come per esempio l’erba medica o il

luppolo; dopodiché quando queste piante erano cresciute il campo veniva arato ed esse venivano

lasciate nel terreno, e il terreno ritornava fertile. A cosa era collegato questo problema? Era collegato

al fatto che le piane di qualunque specie per crescere hanno bisogno di azoto e lo prendono dal terreno

sotto forma di sali azotati. La quantità di sali azotati nel terreno è ben limitata, per cui dopo un

determinato periodo di tempo la quantità di sali finiva e le piante non crescevano più. L’industria

agricola moderna ovvia a questo problema con l’introduzione dei concimi.

NODULI RADICALI:

Sono dei noduli a livello delle radici (nell’immagine una pianta di soia),

ma non sono una malattia, sono dei noduli all’interno dei quali sono

cresciuti i microrganismi azoto fissatori, cioè quei microrganismi che

sono capaci di prendere l’azoto atmosferico e trasformarlo in

ammoniaca che è poi incorporata negli amminoacidi.

Molti microrganismi azoto fissatori vivono nel suolo, e molti di questi

tendono a vivere in associazione con determinate specie vegetali.

Queste strutture formate dai microrganismi sono in diretto contatto con

i vasi linfatici della pianta e in questo caso c’è un’utilità reciproca.

Infatti i vasi linfatici portano sostanze nutrizionali ai batteri, che hanno

quindi una grande quantità di sostanze nutrizionali indispensabili per fare l’azoto fissazione; a sua

volta il microrganismo ripaga la pianta fornendole i composti azotati, immettendoli nei vasi linfatici.

In questa immagine si vede un esperimento in cui

il terreno è stato artificialmente privato dei sali

d’azoto. Sono state piantate delle piante di soia e

a sinistra ci sono piante prive dei noduli radicali,

mentre a destra le piante hanno i noduli. Si vede

chiaramente l’importanza di questa associazione

da questo esperimento, perché le piante con i

noduli sono cresciute molto bene, mentre le altre

hanno una crescita stentata.

Piante Piante

Immaginiamo di avere le radici della pianta e di avere anche dei microrganismi che viaggiano nel

terreno. La pianta che può vivere in associazione con un microrganismo azoto fissatore (dato che solo

alcune specie possono vivere in queste condizioni) rilascia nel terreno delle molecole segnale; queste

possono essere identificate da determinati microrganismi, quindi c’è un riconoscimento specifico tra

la pinta e il microrganismo. Quando il microrganismo riconosce questo segnale va ad attaccarsi ai

peli radicali della pianta; dopodiché si crea quello che è chiamato nodulo di infezione e, senza andare

a vedere i vari stadi, alla fine si formano i noduli sulle radici.

L’ enzima fondamentale per la fissazione dell’azoto atmosferico è un enzima che si chiama

nitrogenasi, e funziona solo in condizioni di anaerobiosi stretta, la minima presenza di una molecola

di ossigeno la inattiva permanentemente. Questo crea dei problemi, perché la maggior parte dei

microrganismi azoto fissatori sono aerobi, devono quindi conciliare due aspetti importanti della loro

vita. A questo problema ci sono diverse soluzioni ma noi ne vedremo una.

In questa immagine si vedono delle sezioni di noduli di alcune leguminose; si osserva all’interno dei

noduli delle zone rossastre; quando si forma il legame tra la leguminosa e l’azoto fissatore viene

indotta la produzione di una molecola che si chiama leg-emoglobina o emoglobina delle

leguminose. Sappiamo che il compito principale dell’emoglobina è quello di trasportare l’ossigeno,

quindi quello che succede è che l’ossigeno non è libero ma viene trasportato da questa molecola dove

c’è bisogno. Il risultato è che nella cellula non c’è

ossigeno libero e la nitrogenasi non viene a contatto

con l’ossigeno e quindi può funzionare.

Quando negli anni ’80 si iniziò a studiare

maggiormente il meccanismo di azoto fissazione si

studiò molto la possibilità di utilizzare questi

microrganismi per migliorare la produzione

agricola. L’idea dietro a questi progetti era quella

che una limitazione nella produzione agricola è data

dalla carenza di composti azotati; pensarono quindi di migliorare il sistema di azoto fissazione in

modo tale che ci fosse una ridotta necessità di fertilizzanti chimici. L’idea di creare delle piante

transgeniche capaci di utilizzare l’azoto atmosferico però fu abbandonata molto velocemente quando

si vide che questo processo era anaerobio stretto, e nelle piante c’è una forte quantità di ossigeno

libero.

Un’altra idea era invece di aumentare la presenza di microrganismi azoto fissatori e quindi di

aumentare le possibilità di interazioni con le radici. Questi esperimenti comunque non andarono a

buon fine perché l’azoto fissazione è una reazione che richiede una quantità enorme di energia ed è

estremamente dispendiosa; se noi mettiamo degli organismi azoto fissatori in un terreno in cui ci sono

comunque composti azotati, questi microrganismi non lo fissano l’azoto atmosferico dato che c’è già

azoto disponibile. Quindi tutti questi studi alla fine non portarono a nessun risultato applicativo.

CICLO DELLO ZOLFO La fonte più abbondante di azoto in

natura è lo zolfo elementare, quindi

non quello che si trova

nell’atmosfera, ma quello presente

nelle rocce.

Nel ciclo dello zolfo, questo è

ossidato dai batteri per dare dei

solfati, che sono dei sali che poi

sono integrati nelle proteine, in

questo modo entrano nei composti

organici che poi sono utilizzati da

tutti gli organismi viventi per il

metabolismo e durante il processo

di digestione, durante l’utilizzazione delle molecole per la produzione di energia o durante i processi

di degradazione operata dai batteri sulla materia organica morta, questo zolfo viene liberato

nuovamente e viene liberato sotto forma di H S, acido solfidrico. Questo acido ad opera dei batteri

2

può essere ossidato a zolfo. In questo ciclo si tengono in considerazione il mondo dei microrganismi,

il mondo delle piante e quello animale.

Però possiamo osservare che in questo ciclo ci sono anche due cortocircuiti, che possono essere

operati dai batteri, escludendo sia piante che animali. I solfati infatti possono essere ridotti a opera

dei batteri ad acido solfidrico e poi ritornare a zolfo, tagliando la parte inferiore del ciclo. Altrimenti,

in un ciclo ancora più breve ad opera esclusivamente dei batteri, lo zolfo è ridotto ad H S e ossidato

2

direttamente a zolfo. Il ciclo dello zolfo quindi ci mostra che i microrganismi non hanno bisogno di

piante e animali per la loro esistenza, mentre né le piante né gli animali hanno questa capacità.

Un altro aspetto importante in questo ciclo riguarda dove troviamo lo zolfo. Lo zolfo lo troviamo nei

minerali e questi si trovano nelle miniere che molto spesso sono a cielo aperto. Queste miniere sono

un grande problema dal punto di vista ecologico, perché questi sono ambienti ricchi di zolfo dove

vivono microrganismi capaci di fare il ciclo dello zolfo e quindi producono acidi molto forti; le piogge

che cadono poi, lavano via questi acidi e li trascinano nelle falde acquifere sottostanti che vengono

quindi inquinate. Abbiamo quindi quelli che sono chiamati drenaggi acidi di miniera dove l’acqua ha

anche un colore diverso perché è inquinata; ma non è solo inquinata localmente, infatti viene

contaminata per grandi distanze. Anche quando una delle miniere viene chiusa, prima che si blocchi

questo processo sono richieste decine di anni, e la presenza di questi acidi rende il terreno non fertile

alla vegetazione quindi creano un danno serio ed è complicato ristabilire un equilibrio normale.

Un altro aspetto è legato all’utilizzo del carbone ricco di zolfo. Quando questo viene bruciato nelle

centrali termiche, lo zolfo viene immesso nell’atmosfera sotto forma di anidride solforosa.

Nell’atmosfera questo gas diventa acido solforico e durante le piogge acide è riportato sulla

superficie; così facendo si creano grandi problemi ambientali, dato che si bruciano le piante e gli

edifici vengono danneggiati. Per molto tempo le centrali dell’Europa dell’est bruciavano carbone ad

alto contenuto di zolfo e si creavano questi gas che andavano poi a danneggiare zone an