Biotecnologie Microbiche Vegetali

Cicli biogeochimici degli elementi

La Terra è un sistema chiuso contenente una quantità limitata di elementi disponibili per tutte le forme di vita. Questi elementi sono convertiti da una forma chimica all’altra e scambiati tra i vari organismi viventi. La composizione chimica della superficie terrestre e dell’aria è in gran parte determinata dall’attività degli organismi viventi. La concentrazione degli elementi nella biosfera è il risultato del bilancio netto tra velocità di formazione e quella di utilizzo. Ogni elemento è contenuto in sostanze più o meno facilmente trasformabili:

• Serbatoio di riserva, grande, abiotico, reazioni lente
• Sacca di scambio, piccola, biotica, reazioni veloci

La maggior parte delle trasformazioni avviene nella sacca di scambio, il serbatoio di riserva controbilancia gli squilibri che si possono verificare per la diversa velocità delle trasformazioni. Il turnover degli elementi (tempo di permanenza in un comparto) è molto variabile:

• Estremamente lento nella litosfera (tempi geologici)
• Molto lento nell'idrosfera
• Lento nella pedosfera
• Veloce nell'atmosfera
• Rapidissimo nella biosfera

Ruolo dei microrganismi nei cicli biogeochimici degli elementi

I microrganismi hanno un ruolo cruciale nelle trasformazioni e nel riciclo degli elementi:

• Elevata biomassa totale di cellule microbiche nella biosfera
• Elevata diversità metabolica
• Presenza in tutti gli habitat che supportano la vita

I microrganismi si sono evoluti miliardi di anni prima degli organismi superiori, sono quindi i veri responsabili dell’origine e dell’evoluzione dei cicli biogeochimici della materia.

• Distribuzione ubiquitaria: facile disseminazione per mezzo di vento e acqua
• Elevato potenziale metabolico: alta velocità di duplicazione, alto rapporto superficie/volume
• Versatilità metabolica: sono in grado di degradare un’ampia gamma di sostanze organiche

Le piante necessitano di elementi solubili, generalmente inorganici, che devono essere in una forma chimica disponibile per l’assorbimento radicale o fogliare. Le forme chimiche non disponibili (gassose, solide, legate, adsorbite) sono trasformate in forme biodisponibili ad opera dei microrganismi.

Ciclo del carbonio

Il carbonio circola attraverso le più importanti riserve di C del pianeta: atmosfera, oceani e laghi, suolo, sedimenti e rocce, biosfera. La più grande riserva di carbonio è la litosfera (sedimenti e rocce). Nella biosfera, la più grande riserva sono l’humus e le piante terrestri. Il mezzo più rapido di trasferimento di C tra i comparti ambientali è tramite la CO₂ nell’atmosfera.

Produttori primari

I produttori primari trasformano la CO₂ atmosferica in materiale organico («assimilazione del carbonio»): autotrofi. Gli organismi fototrofi sono alla base del ciclo del carbonio: la maggiore quantità di C organico deriva dalla fotosintesi. Le piante superiori sono gli organismi fototrofi dominanti sulle terre emerse. I microrganismi fototrofi sono i più abbondanti negli ambienti acquatici: ficoplancton. Diversi metabolismi sono responsabili dell’assimilazione del carbonio, il più abbondante è il ciclo di Calvin: annualmente vengono fissate più di 10¹¹ tonnellate di CO₂, principalmente attraverso la mediazione di circa 40 milioni di tonnellate di RuBisCo. Ruolo dei microrganismi autotrofi chemolitotrofi negli ambienti senza luce.

Decompositori

Il carbonio fissato nella fotosintesi viene degradato da vari organismi. Piante, animali e microrganismi formano CO₂ ed H₂O attraverso la respirazione di substrati organici per ottenere ATP. Formazione di CO₂ anche da alcune fermentazioni. Batteri e funghi sono i riciclatori ultimi del materiale organico non vivente (deiezioni e cellule morte): saprofiti. Alcuni composti polimerici sono degradati solo da alcuni microrganismi (cellulosa, chitina, lignina): ruolo fondamentale nel suolo.

Metanogeni e metanoossidanti

Negli ambienti anaerobici (sedimenti, rumine, stagni e lagune, digestori) i principali processi del ciclo del C portano alla formazione di acidi organici C₂-C₃, CO₂, H₂. I batteri metanogeni convertono questi composti in CH₄. Batteri e lieviti metanotrofi ossidano il metano a CO₂.

Degradazioni dei residui vegetali

Le trasformazioni lente sono il collo di bottiglia del ciclo e sono le fasi più delicate: biopolimeri che compongono i residui vegetali. L’elevata diversità della composizione chimica e dell’organizzazione strutturale dei tessuti vegetali rende estremamente variabile la loro biodegradabilità. I composti del C solubili ed a basso PM sono il 5-30% dei residui vegetali, a seconda del tipo di pianta e delle condizioni ambientali. Carboidrati ad alto PM insolubili costituiscono fino al 60% (pareti cellulari). I grandi polimeri (cellulosa, lignina, proteine) non sono assorbibili dalle cellule:

• Vengono idrolizzati all’esterno della membrana cellulare da enzimi idrolitici extracellulari
• Glucidi semplici: esosi, pentosi, acidi organici, alcoli possono venire respirati (Bacillus) con produzione di CO₂, cellule e ATP o fermentati (Clostridium) con produzione di CO₂, ATP, cellule, acidi e alcoli a basso PM
• Amido: sostanza di riserva formata da amilosio ed amilopectine. Viene idrolizzato da amilasi: alfa- produce destrine e glucosio, beta- produce maltosio. Molti batteri e funghi degradano l’amido
• Emicellulose: polimeri complessi di pentosi e acidi poliuronici. Degradate tramite respirazione da molti batteri e funghi, fermentate da Clostridium
• Pectine: polimeri dell’acido beta 1-4 galatturonico associato a pentosi o esosi. Degradate da un complesso enzimatico: protopectinasi staccano il polimero dagli altri componenti della parete, pectinometilesterasi stacca i gruppi metilici, poligalatturonasi libera ac. galatturonico. Poche specie sintetizzano l’intero complesso, molti agiscono nelle ultime fasi

Chitina

Polimero dell’N-acetilglucosammina con catene laterali azotate.

• Abbondante nel suolo (pareti di funghi ed esoscheletro di insetti)
• Degradata dal complesso enzimatico chitinasi, che porta alla formazione di glucosio, ac. Acetico, ammonio
• La degradazione della chitina è comune perché costituisce anche una fonte di N ed alcalinizza l’ambiente rendendo compatibili suoli acidi

Cellulosa

Alto peso molecolare.

• Polimero lineare del glucosio di grandi dimensioni
• Compone le pareti vegetali in associazione con altri polimeri a minor PM
• Composto più rappresentato nella biosfera, fonte di fibre vegetali, energie rinnovabili, serbatoio di accumulo della CO₂
• Il 60% di C è assimilato in cellulosa
• Le catene di cellulosa sono disposte in fibrille ordinate e molto resistenti e zone amorfe, più facili da attaccare dagli enzimi idrolitici
• Endoglucanasi idrolizzano i legami all’interno della catena
• Esoglucanasi idrolizzano solo i legami esterni
• Specie che possiedono solo esoglucanasi dipendono dalla presenza di specie che hanno attività endoglucanasica
• L’idrolisi della cellulosa è un’attività molto diffusa: batteri aerobi/anaerobi e termofili, funghi, simbionti (rumine, termiti)
• I funghi incrementano la velocità di attacco della cellulosa perché l’azione meccanica delle ife fungine provoca l’ingresso di acqua per capillarità, il rigonfiamento dei polimeri ed un più efficiente attacco delle cellulasi
• Cellulosolitici obbligati (Mixobacteriales) si adattano alla superficie del substrato allineando le cellule con le fibre di cellulosa
• Condizione ottimale per la cellulolisi è C/N = 50, nei residui vegetali C/N = 100-200. La più efficiente degradazione dei residui vegetali avviene in suoli con buon apporto di sostanze azotate, se nel sistema si verificano perdite di N si ha un accumulo di cellulosa

Lignina

Alto peso molecolare.

• Polimero di un alcol aromatico (fenilpropano) sostituito in varie posizioni e con catene laterali formando un reticolo tridimensionale con elevata variabilità e imprevedibilità strutturale
• La particolare struttura chimica rende le lignine una famiglia di composti molto difficili da degradare enzimaticamente: composti recalcitranti
• L’attacco avviene per mezzo di complessi enzimatici ossidativi, fenoloossidasi: laccasi, perossidasi, tirosinasi. Necessita di alte pressioni di O₂ per l’apertura dell’anello aromatico: limitata degradazione del legno in ambienti con poco O₂ (acquatici)
• Organismi ligninolitici sono per lo più funghi: marciume bianco: ligninolitici primari, gli unici in grado di mineralizzare la lignina. Marciume molle: formato da funghi che degradano la lignina ma non le altre componenti della parete vegetale (pectine, emicellulose). Marciume bruno: formato da funghi (basidiomiceti, sintetizzano melanine) che attaccano buona parte delle componenti delle pareti, ma non gli anelli aromatici delle lignine

Ciclo dell’azoto

L’azoto molecolare N₂ è il componente principale dell’atmosfera (79%). N combinato è uno dei componenti principali delle molecole biologiche. Gli animali utilizzano solo N organico. Le piante utilizzano solo N inorganico (NH₃, NO₃^-). Azoto combinato (ammonio e nitrati) sono scarsi nel suolo e nelle acque: fattore limitante la crescita. Le diverse specie batteriche possono usare come fonte di N ed energia sia N organico (aa e proteine) sia N inorganico: N₂, NH₃, NO₂^-, NO₃^-. Alcune specie di batteri nutrizionalmente esigenti necessitano di 1 o più amminoacidi nel mezzo colturale (es. batteri lattici).

Azotofissazione

N₂ → NH₄⁺

• Produce azoto combinato
• Condotta esclusivamente da alcuni gruppi batterici: azotofissatori
• Gli azotofissatori hanno un vantaggio ecologico dato che N₂ è contenuto in quantità non limitante nell’atmosfera

Nitrificazione

NH₄⁺ → NO₂^- → NO₃^-

• Condotta nei suoli neutri e ben aerati dai batteri
• Nitrificanti: ammonio ossidanti & nitritossidanti
• Aerobi, quasi tutti chemioautotrofi obbligati, crescita lenta
• I nitrificanti sono autotrofi, e il loro metabolismo energetico è poco efficiente: 14-70 moli di NH₃ per organica

Riduzione assimilativa del nitrato

NO₃^- → NO₂^- → NH₄⁺ → aa

• Avviene in aerobiosi e anaerobiosi, in piante e microrganismi
• Richiede energia
• Condotta da nitrato- e nitrito- riduttasi
• Non porta all’accumulo di ammonio extracellulare, tutto il nitrato ridotto viene impiegato per la crescita cellulare
• Il processo è inibito dall’ammonio: l’assimilazione dell’ammonio è meno dispendiosa della riduzione del nitrato

Riduzione dissimilativa del nitrato

Diversi gruppi batterici in anaerobiosi producono energia ossidando sostanza organica (fonte di e-) usando il nitrato come accettore terminale di e- alternativo ad O₂. Sono coinvolte nitrato riduttasi, negativamente regolate dalla presenza di O₂.

Ammonizzazione

Ammoniaca viene rilasciata dai batteri ammonificanti durante la degradazione dei composti organici contenenti N (aa, nucleotidi). Nel suolo N prodotto dall’ammonificazione si trova come NH₄⁺ nei suoli a pH neutro e si può fissare ai colloidi del suolo. A pH alcalino si trova come NH₃ e si può perdere per volatilizzazione. Nei suoli una parte dell’ammoniaca prodotta evapora e viene dispersa nell’atmosfera, la maggior parte è rapidamente riconvertita in amminoacidi da piante e microrganismi.

Ciclo del fosforo

P nella biosfera è sempre allo stato di ossidazione +5: ioni fosfato liberi PO₄^3- e fosforo organico nelle cellule. I composti fosforati vengono sintetizzati dentro la cellula, P è assunto come ione fosfato. Nell’ambiente PO₄^3- è spesso presente in forma di sali insolubili (di Ca, Fe, Al) per cui può essere un fattore limitante. La solubilizzazione dei sali di P insolubili viene operata dal metabolismo microbico per la produzione di acidi (nitrico, solforico, solfidrico). La mineralizzazione della sostanza organica contenente P libera ioni fosfato inorganici, ad opera di fosfatasi.

Ciclo dello zolfo

Lo zolfo è un elemento necessario per gli organismi viventi, è un costituente delle proteine. Serbatoi naturali di S sono in forma di solfati (minerali contenenti soprattutto gesso, CaSO₄, ed il solfato inorganico disciolto negli oceani) o solfuri (minerali di pirite, FeS₂). S è necessario in quantità meno elevate rispetto a C, N, normalmente non è un nutriente limitante negli ambienti naturali. Le piante assimilano S come solfati, gli animali come amminoacidi solforati. I microrganismi sono in grado di utilizzare lo zolfo organico e quello inorganico a 3 stadi di ox: S⁰ (zolfo elementare), S^2- (solfuro), SO₄^2- (solfato).

Introduzione al suolo

Gli ambienti terrestri sono estremamente importanti per la civiltà umana. L’agricoltura attuale si affida a terreni resi ottimali per la produttività vegetale ed animale. Minerali inorganici derivati da erosione + frazione organica prodotta dalla decomposizione parziale dei costituenti cellulari del biota delle rocce.

Microbiologia del suolo

Il suolo è un ecosistema dalla complessa ed eterogenea struttura fisica che costituisce un insieme di microhabitat aventi condizioni ambientali diverse. Particelle solide inorganiche: dimensioni variabili (µm÷mm) che condizionano la porosità e le proporzioni con la fase gassosa e liquida. Argille: enorme superficie specifica (anche 100 m²/g), hanno cariche superficiali prevalentemente negative e possono associarsi tra di loro e con particelle umiche e batteri. Fase liquida ad alta concentrazione di soluti e fase gassosa hanno composizione fortemente condizionata dall’attività microbica. Per i procarioti il suolo è uno degli habitat della Terra più diversi ed eterogenei. Di conseguenza le comunità procariote del suolo hanno la più grande diversità rispetto alla maggioranza degli altri habitat. Oltre ad elevata diversità, nel suolo la concentrazione dei procarioti è particolarmente alta (10⁷-10¹⁰ cellule/g).

Influenza della struttura del suolo sui microrganismi

• Argille: ostacolano la biodegradazione (adsorbono la sostanza organica), proteggono le cellule dall’essiccamento
• Aggregati: porosità piccole trattengono l’acqua per capillarità, porosità grandi facilitano la fase gassosa (ossigenazione).

Gli ambienti terrestri sono matrici ambientali solide, quindi la dispersione dei microrganismi è diversa rispetto agli ambienti acquatici.

Movimento delle cellule microbiche

• Batteri e miceti filamentosi esplorano l’ambiente con la crescita del micelio
• Movimento attivo (batteri con flagelli): è necessaria la presenza di acqua come film superficiale o in microporosità continue. Lo spostamento è limitato (mm÷cm)
• Movimento passivo (anche decine di m) provocato dal movimento dell’acqua nelle grosse porosità o canali naturalmente esistenti o creati dalle radici, dagli animali, dalle operazioni agricole
• Trasporto tramite mesofauna (es lombrichi)

Distribuzione dei microrganismi nel suolo

• Disomogenea, non casuale
• Associati alla materia organica
• Presenti in microcolonie

La presenza dipende dal diametro delle porosità (batteri nelle piccole, ife fungine e protozoi nelle grandi). In funzione delle condizioni ambientali del microambiente: pO₂, Aw, pH.

Microrganismi del suolo

• Fotosintetici: solo sulla superficie o associati alle piante
• Batteri: preponderanti (10⁶÷10⁹/g), per la maggior parte aerobi
• La maggioranza dei batteri sono oligotrofi: necessitano di scarsità di nutrienti
• Molti sono in stato di dormienza: metabolicamente non attivi, generalmente non coltivabili
• Alti tempi di duplicazione: giorni, nei suoli temperati
• Miceti microscopici: circa 1/100 dei batteri, soprattutto muffe
• Protozoi: circa1/1000 dei batteri. Predatori, di grandi dimensioni

Diversità dei microrganismi nel suolo

Le comunità microbiche del suolo hanno composizione molto eterogenea, in relazione all’eterogeneità dell’ambiente. Su larga scala la composizione delle comunità microbiche del suolo è regolata dai fattori ambientali: microbial biogeography. 98 campioni di suolo (ciascuno composto da 10 subcampioni prelevati da un’area di 100 m²) sono stati prelevati in ambienti diversi del continente americano.

• È stata valutata la ricchezza in specie e la similarità tra le comunità batteriche dei campioni
• Suoli che appartengono allo stesso ambiente tendono ad ospitare comunità batteriche simili
• Il pH del suolo è statisticamente correlato alla diversità filogenetica delle comunità batteriche residenti. Il pH del suolo è il migliore predittore della diversità batterica
• Su scala continentale latitudine, temperatura e piovosità sono i principali determinanti della diversità animali e vegetale

Influenza dei microrganismi sulla struttura del suolo

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