Microbiologia ambientale

CORE GENOME PAN GENOME

Insieme di geni condivisi da una specie Altri genotipi che caratterizzano i diversi ceppi di una stessa specie ex. E.coli genetica e E.coli uro-patogenica condividono lo stesso CORE ma hanno differente PAN, che permette alla uro-patogenica di causare malattia e all'altro no.

E' interessante studiare l'evoluzione microbica in relazione all'evoluzione umana per capire come è cambiata la comunità microbica in relazione alla dieta, dal punto di vista umano.

Dal punto di vista ecologico, per capire i tipi di metabolismi che si sono sviluppati in relazione ai diversi ecosistemi.

La maggioranza delle specie batteriche presenti a 3.4 miliardi di anni fa (quando si sono divisi Bacteria e Archea) sono oggi ESTINTE!!

Il pianeta funziona grazie ai microrganismi, se avviene un'estinzione di massa ma l'ecosistema mantiene le sue funzioni la Terra può continuare ad essere abitabile e i cicli.

43lezione 16May 5, 2022

microrganismi.Forma procariotica ha fissato azoto e co2 promuovendo la sintesi ed il metabolismo della cellulosa,successivamente è comparsa la vita multicellulare eucariotica con nuovi metabolismi che prima eranoimpossibili da ottenere. Microrganismi si possono mappare in base al numero di geni presenti nelloro genoma, in base al genoma è possibile ipotizzare lo stile di vita: + sonopresenti proteine codificanti allora + la vita di tali microrganismi sarà libera.Gli organismi in basso a sinistra sono gli obbligati (simbionti o parassiti),quelli in alto a destra sono free-living; al centro sono associati all'ospite,ovvero fanno parte di un olobionte.La diversità presente sul pianeta terra è quantificabile in base ai metabolismi differenti dei vari microrganismi; essi hanno influenzato l'abitabilità del pianeta anche per altri organismi.↔DIVERSITÀ FUNZIONANTE METABOLISMO MICROBICO ECOSISTEMICA→→ECOSISTEMAConcetto

di ABITABILITÀ è intrinseco alla vita microbica: producono, usano, degradano i nutrimenti. La totalità dei microrganismi può vivere in range di temperatura e di condizioni molto ampie. Microrganismi sono alla base dei SERVIZI ECOSISTEMICI: essi producono e degradano la sostanza organica, mantenendo il pianeta funzionante.

Cosa influenza positivamente direttamente o indirettamente l’essere umano e la società:

• PROVISIONING SERVICES: energia, cibo, farmacologia, difese naturali ecc..
• REGULATING SERVICES: controllo patogeni, regolazione climatica, controllo erosione e corsi d’acqua
• CULTURAL SERVICE: ricreativo, spirituale, educazionale
• SUPPORTING SERVICES produzione primaria (fotosintesi o chemosintesi), mantenimento biodiversità e riciclo nutrienti. Sostengono gli altri 3 servizi.

Ciascun gruppo microbico è legato a un processo che è legato a un servizio ecosistemico.

In base alla grandezza dei polimeri; nonostante i polimeri più piccoli sarebbero più facilmente assimilabili, i microrganismi tenderanno a degradare polimeri maggiori dei 600KDa rispetto a polimeri più piccoli o semi-monomeri in quanto questi ultimi hanno legami più difficili da degradare.

Vi sono dei NATURAL CONTROL della crescita microbica:

• RISORSE carbonio, azoto, macronutrienti e micronutrienti, O2 ed altri accettori di elettroni e composti elettron donatori inorganici
• CONDIZIONI temperatura, potenziale dell'acqua, pH,...
• VIRUS
• CHEMOLITOAUTOTROFIA→ materia organica, in assenza di luce; avviene nelle fissazione di C inorganico in zone di buio/ acque profonde. produzione primaria in presenza di luce (fotosintesi)↓respirazione aerobica↓respirazione anaerobica (ferro, azoto, zolfo)↓fermentazione↓metanogenesi e acetogenesi

KEYSTONE TAXA strutturano ecosistema grazie al fatto che sono strettamente connesse con altre specie.

Le interazioni che favoriscono verrebbero meno se essi venissero sostituiti. Non sono necessariamente le specie dominanti ma sono quelle specie che se venissero a mancare creerebbero deficit nelle funzioni del microbioma.

BOTTOM-UP AND TOP-DOWN CONTROL:

• TOP-DOWN: scenario ecologico nel quale l'abbondanza o la biomassa degli organismi è prevalentemente mantenuta dalla MORTALITÀ O DALLA PREDAZIONE
• BOTTOM-UP: scenario ecologico nel quale l'abbondanza o la biomassa degli organismi è determinato principalmente DALLA QUANTITÀ o DAL DEFICIT DI RISORSE E LA MORTALITÀ DOVUTA ALLA MANCANZA DI RISORSE.

Una comunità stabile di microrganismi si osserva nel range contenuto tra la PRESSIONE DEI PREDATORI e la PRODUTTIVITÀ BATTERICA per ottimizzare e creare strategie nel contrasto dei predatori e nel riconoscimento dell'elemento limitante e modificare di conseguenza il metabolismo.

STRATEGIE DI DIFESA DEI PREDATORI

Prede e predatori utilizzano

segnali chimici per individuarsi→ la predazione dipende dalla CARICA NETTACHE IL MICRORGANISMO PRESENTA E DIPENDE DALLA TAGLIA DEL PREDATORE, che è selettivo per una certa misura. Strategie di difesa sono:

• cambiare taglia
• muoversi
• produzione di metaboliti secondari con funzione di TOSSINE
• comunicazione
• cambiamento di viscosità con formazione di biofilm
• formazione di capsule polisaccaridiche che cambiano la polarità
• creare comunità e ammassi di microrganismi

Contro i virioni invece:

• produzione vescicole esogene, così i virioni attaccano quelle invece che il microrganismo
• cambio di recettori di membrana, in modo che i virioni non riescano più a riconoscerli
• produzione biofilm

La produzione virale dipende dallo stato nutrizionale della cellula target, questo a sua volta dipende dall'OPTIMUM di temperatura, pressione, nutrienti e dall'intensità luminosa (nel caso dei cianobatteri).

ECOSISTEMA DEL

SUOLO ecosistema molto strutturato con diversi orizzonti caratterizzati da diverse caratteristiche chimico-fisiche. Condizioni importanti sono: pH, concentrazione di nutrienti, quantità di azoto, salinità e composizione particellare.

Il suolo è composto da MICROAGGREGATI (<250 micron) E MACROAGGREGATI (0.25 a 2 mm); questi sono tutti colonizzati da microrganismi, soprattutto nei luoghi di interfaccia tra le particelle di suolo.

I virus sono importanti per il controllo microbico: è importante capire il rapporto preda-predatore per queste particelle inermi (virioni) che sono come macro-proteine e quindi associate a particelle del suolo (perciò si comportano come tali).

L'incontro virione-microrganismo è casuale: è quindi fondamentale il fattore di diluizione ovvero la presenza di acqua che trasporta i virioni fino ai microrganismi → nei momenti di umidità associata ad alta ossigenazione i microrganismi dovranno attuare

Cambiamenti per permettere loro di sopravvivere alle diverse condizioni ambientali.

La componente principale nel suolo è data dai BATTERI E FUNGHI, seguiti da Archea, protisti e virus.

Solo meno dell'1% è l'area che i microrganismi occupano nel suolo. Si pensa che circa il 95% della biomassa microbica nel suolo sia dormiente o inattiva.

Ogni suolo è caratterizzato da una diversa comunità di Batteri-Archea-Virus-Funghi, ma i BATTERI SONO SEMPRE DOMINANTI!!

AMBIENTI ETEROGENE
AMBIENTI OMOGENE
riciclo di nutrienti nutrienti labili quindi facilmente utilizzabili
FUNGHI> batteri BATTERI> funghi
BOTTOM-UP CONTROL
TOP-DOWN CONTROL 47

** CARBON CREDIT: titolo equivalente ad una tonnellata di CO2 non emessa o assorbita grazie ad un progetto di tutela ambientale. Tra le varie idee:
● piantare alberi
● creare bloom acquatici: bloom acquatici fissano molto più CO2 con produzione di O delle piante terrestri però PROBLEMA→queste alghe/microalghe,

• Produrre sostanza organica non degradabile dai microrganismi e poi sequestrarla nelle profondità marine o nel sottosuolo.
• Sequestrare la CO2 nella DEEP OCEAN CIRCULATION (sotto forma di biomassa), permettendo un periodo di 500/1000 anni di diminuzione di CO2 nell'atmosfera.