Microbiologia parte 2
Classificazione dei microrganismi in base a fonte energetica e di carbonio
Nei gruppi funzionali si considerano 2 parametri:
Fonte energetica:
- Se è la luce Fototrofi.
- Se è l'energia chimica Chemotrofi.
Fonte di carbonio:
- Se è la CO2 Autotrofi.
- Se è carbonio organico Eterotrofi.
Si hanno quattro categorie:
- Fotoautotrofi (piante, alghe, batteri fotosintetici) Luce + CO2
- Fotoeterotrofi Luce + Carbonio organico (batteri rossi)
- Chemioautotrofi (batteri) Sostanze chimiche inorganiche + CO2
- Chemoeterotrofi (animali, funghi, batteri e protozoi) Sostanze organiche + Carbonio organico
Batteri chemiolitotrofi
Furono scoperti da Winogradsky tra il 1880 e il 1890. Sono capaci di crescere al buio, in terreno minerale, ricavando ATP e NADH dall'ossidazione di sostanze inorganiche e carbonio dalla CO2. Il substrato inorganico rappresenta la loro fonte di energia. Esempi includono Pseudomonas, Nitrobacter, Nitrosomonas, e Thiobacter nitrificans.
In base alla loro specificità del substrato si dividono nei seguenti gruppi:
- Nitrosatori (ammoniaca-ossidanti) NH3 + O2 NO2
- Nitratori (nitrito-ossidanti) NO2 + O2 NO3
- Zolfo-ossidanti S + O2 SO42-
- Ferro-batteri Fe2+ + O2 Fe3+
- Idrogeno-ossidanti (batteri del gas tonante) H2 + O2 H2O
- Carbossidobatteri CO + O2 CO2
Le rese energetiche delle ossidazioni utilizzate dai chemiolitotrofi sono nettamente più basse della resa energetica per l'ossidazione del glucosio. Per la sintesi di Nitrosomonas abbiamo bisogno di 30 gr di NH3 per fare 1 gr di se stesso, mentre l'Escherichia coli ne ha bisogno di 2 gr di C6H12O6 per farne 1 gr.
Nitrificanti
Crescono molto lentamente anche in condizioni ottimali. Il loro isolamento in coltura pura è lento e difficile e ricavano poca energia dalle reazioni di ossidazione. Parte dell'ATP prodotto è usata per consentire il flusso di elettroni contro gradiente. Sono chemiolitotrofi obbligati, ubiquitari (suoli, compost, acque), non crescono a pH < 6, con T ottimale di 25-30 gradi, tempo di generazione 8-24 h. Sono i fattori essenziali della fertilità biologica dei suoli.
Solfo-batteri e solfo-batteri filamentosi
Sono incolori e si muovono per scivolamento. Sono presenti dove si sviluppa H2S (sorgenti solfuree, terme, risaie, stagni) e i principali sono Beggiatoa e Thiotrix. L'ossidazione di H2S a zolfo elementare produce depositi di zolfo intracellulari che sono ossidati ulteriormente ad H2SO4 quando viene a mancare H2S. Le cellule di Beggiatoa appaiono ricche di globuli rifrangenti, che sono granuli di zolfo derivante dall'ossidazione di solfuri. In stato di carenza di solfuro, le cellule possono usare questo zolfo elementare e trarre da esso energia ossidandolo ulteriormente a solfato.
Tiobacilli ossidano composti ridotti dello zolfo; la maggior parte sono chemiolitotrofi e aerobi. Specie diverse, gram negativi e a forma di bastoncello. T. thiooxidans produce H2SO4 e vive a pH molto bassi. Una specie di tiobacillo, Thiobacillus ferrooxidans, partecipa al ciclo del ferro ossidando il ferro ferroso a ferrico. Altre specie, come Thiobacillus denitrificans, possono portare avanti una respirazione anaerobica usando nitrato come accettore terminale di elettroni, mentre ossidano lo zolfo elementare a solfato.
Batteri chemiolitotrofi come produttori primari
La vita eterotrofa è basata sulla produzione di biomassa dalla fotosintesi e in piccola parte dai chemioeterotrofi. Nella zona di contatto tra la zona fredda (O2) e calda (H2S) vivono i batteri dello zolfo, che sono fonte di cibo per molluschi, crostacei e vermi marini. Il verme pogonoforo Riftia pachyptila si è adattato a questo ecosistema. Ha un organo (trofosoma) in cui i batteri solfo-ossidanti vivono come simbionti. H2S e O2 circolano con l'emolinfa. L'ecosistema è basato sulla produzione di sostanza organica chemiolitotrofica.
Respirazioni anaerobie
In ecosistemi anossici si sviluppano batteri che ricavano energia da respirazioni anaerobie. Fonti di C e di elettroni sono i composti prodotti dai microrganismi fermentatori (lattato, etanolo, formiato). Utilizzano come accettori finali di elettroni: nitrato, solfato, zolfo, carbonato e ferro. I prodotti sono: N2, N2O, CH4, H2S. Hanno un ruolo fondamentale nei cicli biogeochimici e nel mantenimento degli equilibri della biosfera. Sono organismi terminali della catena alimentare anaerobia.
Denitrificazione
La denitrificazione è la respirazione anaerobia dei nitrati. È l'unico processo biologico attraverso cui l'azoto fissato, organico e inorganico, può essere liberato e riciclato come N2. Sono batteri aerobi, non anaerobi obbligati. Gli enzimi per la denitrificazione sono indotti solo in mancanza di ossigeno. L'ossigeno reprime la sintesi di nitrato e nitrito riduttasi. Questi evitano l'accumulo di nitrati e nitriti del suolo e la contaminazione delle falde acquifere.
Respirazione dei solfati
Sono batteri solfato riduttori. L'accettore finale di elettroni è lo ione solfato che diventa H2S. Sono anaerobi obbligati e vivono in habitat anaerobio stretto (fanghi putrescenti, acque stagnanti, dove c'è decomposizione anaerobica della sostanza organica morta). Riducono i carbonati e formano metano durante la degradazione anaerobica della sostanza organica. Quest'ultima è fermentata a prodotti che sono utilizzati dai metanogeni.
Introduzione ai cicli biogeochimici
Nei cicli biogeochimici, alcuni elementi chimici sono ossidati e ridotti dai microrganismi. Questi ultimi decompongono la materia organica e trasformano i composti a base di carbonio, azoto, zolfo e fosforo in composti utilizzabili dalle piante. Le piante sono capaci di fissare CO2 in composti organici che vengono consumati dagli eterotrofi. Un gruppo speciale di eterotrofi sono i decompositori che convertono la materia organica nei suoi componenti inorganici. Energia e materia si muovono da un ecosistema all'altro. Attraverso la decomposizione, le molecole organiche complesse come la lignina vengono degradate in più piccole. Tale materia è assorbita dalle radici. La fonte primaria di tutta l'attività biologica e della sintesi di materia vivente è la luce, che, catturata dagli organismi autotrofi, è trasformata in energia chimica. La materia vivente a sua volta si ritrasforma in energia attraverso i microrganismi.
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