Che materia stai cercando?

Microbiologia ambientale - batteri e carburanti

Esercitazione di Microbiologia ambientale per l’esame del professor Ravagnan. Gli argomenti trattati sono i seguenti: biodiesel bioetanolo, l'ingegneria genetica-biotecnologia, il bioremedetion, la degradazione aerobica, la degradazione anaeroboica, il biofuels.

Esame di Microbiologia ambientale docente Prof. G. Ravagnan

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

MICROBIOLOGIA AMBIENTALE ED APPLICATA

A.A. 2009-2010

I batteri e i carburanti

INDICE

INDICE ................................................................................................................................... 2

I N

T R O

D

U Z I O

N

E ................................................................................................................. 3

I N

G E G N

E R I A G E N

E

T I C A - B

I O

T E C N

O

L O

G I A ............................................................ 4

B I O

R E M E D

I A T

I O

N ............................................................................................................. 5

D E

G

R

A

D A

Z

I

O N E A

E

R

O B

I

C

A .................................................................................................... 7

Alcanivorax borkumensis. .................................................................................................................................. 8

D E

G

R

A

D A

Z

I

O N E A

N A

E

R

O B

I

C

A .............................................................................................. 9

B I O

F

U E L S ............................................................................................................................ 11

B

I

O D I

E

S E

L ................................................................................................................................... 11

Diatomee (Bacyllariophycee) ................................................................................................................................13

Botryococcus braunii ..........................................................................................................................................13

B

I

O E

T

A

N O L

O ............................................................................................................................. 16

Saccharomyces cerevisiae ....................................................................................................................................17

Zymomonas mobilis ..........................................................................................................................................17

Anaerocellum thermophilum ...............................................................................................................................17

B

I

O B

U T

A

N O L

O .......................................................................................................................... 18

I

D R

O G

E

N

O .................................................................................................................................. 18

C O

N

C L U S I O

N

I ................................................................................................................... 21

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................... 22

2

I

N T

R

O

D

U Z

I

O

N E

Il petrolio finirà presto, prestissimo, tra vent’anni dicono i più pessimisti, e lo dicono da anni. A

1

dire il vero anche vent’anni fa dicevano la stessa cosa[….] così recita uno degli innumerevoli

articoli in materia di petrolio, carburanti, riserve energetiche e prospettive future. Negli anni

cinquanta si ipotizzava che per gli inizi del XXI secolo il petrolio avrebbe scarseggiato ma la

realtà come sappiamo è diversa. Oggi si sostiene che stiamo attraversando il periodo di maggior

produzione-estrazione di petrolio e che da questo momento in poi le risorse andranno via via

esaurendosi. La verità probabilmente sta nel mezzo: di petrolio ce ne è ancora tanto ma

diventerà così complicato e costoso estrarlo che sarà poco conveniente la sua ricerca.

Sembrerebbe quindi che non ci fosse da preoccuparsi per il futuro, però la questione deve essere

vista anche da altri punti di vista.

I paesi produttori di petrolio non sono numerosi e quelli che detengono le maggiori riserve

ancora meno, pertanto la risorsa più importante per il pianeta è concentrata nelle mani e

decisioni di pochi. Tutto ciò causa interessi politici, guerre, lotte economiche tali da non giovare

certo all’equilibrio mondiale. Oltretutto il petrolio deriva dalla maturazione termica di materia

organica rimasta sepolta nei millenni e che, in condizioni di elevata temperatura e pressione,

libera idrocarburi che si accumulano in rocce porose. Pertanto, l’atto di bruciare i derivati del

petrolio, libera tutta quella anidride carbonica accumulata nella materia organica all’epoca della

sepoltura, contribuendo così ad aumentare quello che oggi da molti viene ritenuto il problema

più importante da affrontare per il pianeta : il riscaldamento globale.

Ecco quindi che il problema del petrolio non è dovuto solo alla sua potenziale mancanza quando

alle innumerevoli connessioni economiche, politiche e climatiche che lo seguono.

Negli ultimi anni si è pertanto approfondita la ricerca sull’ingegneria genetica e sulle

biotecnologie ai fini di utilizzare microrganismi per produrre o decomporre sostanze da

utilizzare come combustibili. Difatti si è scoperto che è possibile utilizzare batteri modificati

geneticamente per produrre biocombustibili simili al petrolio a partire da scarti di produzione

2

agricola ma anche da alghe e deiezioni animali. Le stesse politiche energetiche europee

(pacchetto energia 10 Gennaio 2007) spingono verso nuove sperimentazioni, incentivi all’utilizzo

di biocombustibili, energia da fonti rinnovabili e riduzioni delle emissioni di anidride carbonica.

Dall’altro lato è possibile anche utilizzare batteri per degradare gli idrocarburi nei casi di

inquinamento ambientale con tecnologie che prendono il nome di Bioremediation.

1 http://www.giornalettismo.com/archives/7356/il-petrolio-finira-tra-ventanni-cioe-oggi/

2

http://europa.eu/rapid/pressReleasesAction.do?reference=IP/08/80&format=HTML&aged=0&language=IT&guiLanguage=e

n 3

I

N G E

G

N E

R I

A G E

N E

T I

C

A - B

I

O

T E

C

N

O

L

O

G I

A

Con il termine biotecnologia si intende l’utilizzo dei microrganismi viventi per realizzare

specifichi processi chimici utili per applicazioni sia commerciali sia industriali. Vengono utilizzate

tecniche che permettono di manipolare, isolare, sequenziale il DNA dei microrganismi. Con le

tecniche in vitro come il clonaggio molecolare, è possibile creare organismi geneticamente

modificati.

Le mutazioni sono cambiamenti ereditari nella sequenza delle basi dell’acido nucleico nel

genoma di un organismo. Alcune mutazioni sono selezionabili mentre altre non lo sono, per cui

è possibile metter alcuni microrganismi in condizioni tali da esser favoriti quelli con un

particolare genotipo. Le mutazioni poi possono essere spontanee mentre altre devono essere

indotte, infine possono coinvolgere uno o più paia di basi.

La ricombinazione genetica è invece il processo mediante il quale segmenti genetici contenuti in

due genomi separati vengono messi insieme in un’unica unità. Con questo meccanismo si

ottengono nuove combinazioni di geni anche in assenza di una mutazione ed i cambiamenti

acquisiti sono generalmente più significativi di quelli ottenuti con le mutazioni.

Le tecniche di genetica batterica possono essere poi effettuate in vivo o in vitro.

in vivo

Tra le tecniche incontriamo:

: processo mediante il quale un DNA libero viene incorporato in una cellula

TRASFORMAZIONE

ricevente (cellula competente) determinando così un cambiamento genetico. La competenza di

una cellula può essere indotta artificialmente.

T : in cui il DNA viene trasferito da una cellula ad un’altra attraverso l’intervento di

RASDUZIONE

un virus.

C :processo di trasferimento genetico che comporta il contatto cellula-cellula ed è

ONIUGAZIONE

codificato da un plasmide.

in vitro

Le tecniche invece si basano sull’utilizzo degli enzimi di restrizione che hanno il

compito di riconoscere alcune sequenze di DNA e tagliarle. In queste tecniche condotte in

laboratorio l’importanza è la scelta dell’enzima di restrizione corretto ed il sequenziamento del

DNA.

Per quanto riguarda le biotecnologie per scopi commerciali, le caratteristiche ideali di un ospite

devono essere la capacità di crescita rapida in un terreno colturale non troppo costoso, la non

patogenicità, la trasformabilità e la stabilità in coltura. 4

B

I

O

R E

M E

D

I

A T I

O

N

Lo sviluppo della biologia molecolare ha reso possibile lo studio e l'isolamento di qualche

microrganismo e l'analisi dei geni che governano una gran varietà di processi metabolici, tra cui

la degradazione degli inquinanti ambientali. La degradazione microbica del petrolio e dei suoi

derivati è di considerevole importanza economica ed ambientale. Il petrolio è una fonte ricca in

materia organica e gli idrocarburi in esso contenuti sono, in condizioni aerobiche, facilmente

attaccabili da diversi microrganismi. Alcune volte l’attacco microbico è un evento indesiderabile,

come per esempio nei siti di stoccaggio, altre volte è auspicabile e viene favorito come negli

incidenti ambientali.

Gli idrocarburi sono composti organici poco solubili in acqua e contengono solo atomi di

carbonio ed idrogeno. Si distinguono molecole a catene lunghe o corte, con più o meno

ramificazioni e con presenza di legami singoli o doppi. Il grado e la velocità della degradazione

degli idrocarburi dipende proprio dalla struttura della molecola; intervengono poi fattori

ambientali e lo stato fisico dell’idrocarburo da decomporre. L’idrocarburo più semplice, il

metano, è degradato soltanto da un gruppo di batteri specializzati, i metanotrofi incapaci di

crescere su molecole con numero maggiore di atomi di carbonio.

I batteri metanotrofi sono aerobi, diffusi nei suoli e nelle acque ed utilizzano il metano come

donatore di elettroni, ossidandolo, per la generazione di energia e come fonte di carbonio. La

particolarità di questi batteri è il fatto di possedere l’enzima metano monossigenasi che catalizza

l’introduzione di un atomo di ossigeno nella molecola del metano potando alla formazione di

metanolo. Altra caratteristica peculiare è la grande quantità di steroli posseduta pare costituire

parte essenziale del complesso sistema interno di membrane coinvolto nell’ossidazione del

metano.

Per quanto riguarda gli idrocarburi a legame carbonio- carbonio, alcani a catena corta sono

tossici per molti microrganismi, mentre alcani a catena media (C -C ) vengono degradati molto

10 24

rapidamente. Dall’altro lato alcani a catena lunga e composti aromatici sono di difficile

biodegradazione fino ad arrivare all’ impossibilità di venir utilizzati come fonte di carbonio

quando il peso molecolare supera 500.

A seguito di uno sversamento di petrolio, la frazione di idrocarburi volatile evapora rapidamente

mentre permangono nel sito le catene alifatiche più lunghe ed i composti aromatici su cui

agiranno i batteri. Studi hanno dimostrato che in condizioni ideali i componenti non volatili del

petrolio possono venire ossidati all’80% entro un anno da un incidente, mentre le frazioni di

5

3

idrocarburi a catena ramificata o i policiclici tendono a persistere più a lungo. Altri studi hanno

addirittura dimostrato che in una vasca contenente 12000 litri di acqua marina inquinata da

petrolio, il 95% dell’inquinante veniva degradato in soli 15 giorni.

Il ceppo di batteri che svolge un ruolo chiave nei processi di attenuazione naturale degli ambienti

marini contaminati da petrolio e quindi riscuote un enorme interesse applicativo, viene chiamato

BIC- batteri idrocarburoclastici. Essi sono batteri marini obbligati, ubiquitari negli ambienti

oceanici e dominanti nelle aree contaminate da petrolio, capaci di utilizzare solo pochi

idrocarburi e qualche sostanza a basso peso molecolare come fonte di carbonio ed energia. Per la

loro elevata affinità nei confronti degli idrocarburi e la loro origine marina, i BIC possono essere

utilizzati in maniera efficace per il disinquinamento degli ambienti marini con basso rischio di

effetti secondari sull’ambiente.

Nonostante i microrganismi abbiano un ruolo chiave nei cicli biogeochimici e nei processi di

biorisanamento, la conoscenza delle variazioni delle comunità microbiche durante il

biorisanamento è però ancora limitata. Questo perché molti batteri di interesse ambientale non

possono ancora essere messi in coltura con tecniche convenzionali di laboratorio e ciò ha

frenato lo sviluppo del biorisanamento in campo. Non è ancora noto come poter valutare il

contributo biologico all’efficacia del biorisanamento e come accertare l’impatto ambientale dello

stesso. A causa delle difficoltà tecniche nel monitoraggio dei batteri che degradano i

contaminanti, il biorisanamento spesso incontra la difficoltà di identificare le misure da

intraprendere in caso di fallimento della tecnica. Inoltre, la limitata conoscenza delle variazioni

delle comunità microbiche durante il biorisanamento rende difficile valutare l’impatto di queste

tecniche sugli ecosistemi. Per fortuna, il rapido progresso dei metodi di biologia molecolare ha

facilitato lo studio della struttura delle comunità microbiche senza introdurre interferenze e

permettere in futuro l’ottimizzazione delle tecniche di biorisanamento.

Fra i ceppi isolati di BIC, sono stati descritti i seguenti nuovi generi, Alcanivorax (il cui genoma è

stato interamente sequenziato), Oleiphilus, Thalassolituus, e Oleispira.

3 Studio IAMC-CNR Messina dott. M.Yakimov

http://www.mareinitaly.it/notizie_v.php?id=1696 6

Figura 1 fattori che influenzano il biorisanamento (Università Basilicata)

I processi di biodegradazione degli idrocarburi possono essere di due tipi: aerobico ed

anaerobico.

D

E G

R

A

D

A

Z I

O

N

E A

E R

O

B I

C

A

Durante tale processo i microrganismi, attraverso una serie di reazioni di ossido-riduzione,

utilizzano gli idrocarburi come donatori di elettroni, mentre l'ossigeno rappresenta l'accettore.

Quando una quantità sufficiente di idrocarburi ed ossigeno è presente nel suolo, i microrganismi

aerobi ossidano gli idrocarburi producendo anidride

carbonica ed acqua. La via aerobica è spesso considerata

quella più significativa ed efficiente nel processo di

biodegradazione in quanto la velocità di degradazione in

condizioni aerobiche è più rapida e produce una maggior

quantità di energia per reazione.

In particolare, l’ossidazione iniziale di un idrocarburo

alifatico saturo (a singolo legame) è catalizzata dall’enzima

monossigenasi e vede come prodotto finale l’acetil CoA.

Gli idrocarburi aromatici possono essere usati da

microrganismi in condizioni aerobiche come donatori di 7

Figura 2 ossidazione idrocarburo alifatico

(Brock p.712)

elettroni. Conosciuto in questo ambito è il comportamento degli Pseudomonas.

La complessità della molecola aromatica fa sì che sia necessaria la formazione di intermedi nel

metabolismo prima della degradazione classica di cui sopra. Di norma gli intermedi formati sono

protocatecuato o catecolo. Solo successivamente quindi si procede alla degradazione fino a

formare composti che entrano nel ciclo degli acidi tricarbossilici (succinato, acetil CoA e

piruvato). Anche queste reazioni che coinvolgono gli idrocarburi aromatici sono catalizzate

dall’ossigenasi.

Il petrolio ed i suoi derivati sono insolubili in acqua e meno densi di questa, i batteri idrocarburo-

ossidanti aderiscono alla superficie delle goccioline e la loro attività ossidativa è maggiore se le

condizioni ambientali sono adeguate (soprattutto nel caso in cui fosfati e sostanze azotate sono

in basse concentrazioni).

Altro microrganismo fondamentale nella degradazione del petrolio è l’Alcanivorax borkumensis

.

(Chang et al., 2000) 4

Alcanivorax borkumensis .

Questo microrganismo è un bacillo gram negativo aerobio chemiorganotrofo che normalmente

si ritrova in basse concentrazioni in ambienti acquatici poco inquinati ma che diventa il batterio

predominante nel momento in cui c’è uno sversamento di petrolio in ambiente in cui azoto e

fosforo non sono nutrienti limitanti. L’ambiente naturale sono le acque marine con

concentrazione di NaCl tra il 3-10% e temperatura 20-30°C.

Figura 3 Alcanivorax borkumensis. (Helmholtz Centre for Infection Researc)

L’ Alcanivorax borkumensis è stato isolato nei sedimenti marini nei Mare del Nord. Il suo genoma

consiste in un singolo cromosoma circolare con 3.120.143 paia di basi.

L’analisi genomica ha rivelato importanti caratteristiche per questo batterio come :

http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Alcanivorax

4

http://www.expasy.ch/sprot/hamap/ALCBS.html 8

-capacità di degradazione degli alcani

-capacità di catturare le piccole quantità di azoto, fosforo, zolfo presenti in nel mare così da

rendere più efficiente la degradazione degli alcani.

-capacità di resistere ai fattori di stress come alto contenuto di sali e forte irraggiamento UV.

Il genoma di questo batterio codifica molti enzimi per il catabolismo degli idrocarburi

permettendo così la degradazione di molti tipi di alcani e questa possibilità di azione a largo

spettro gli assicura vantaggi rispetto ad altre comunità microbiche.

Un’altra particolarità di questo batterio è la produzione di biosurfattanti (glucolipidi anionici) che

riducono la tensione superficiale dell’acqua agendo da emulsionanti naturali permettendo così la

biodisponibilità. Il batterio ora può attaccare le goccioline di petrolio in superficie coprendole di

un biofilm. Figura 4 meccanismo di degradazione del petrolio del A. borkumensis SK2.

Altri studi sulla bioremediation hanno portato alla conoscenza del ceppo di batteri Acinetobacter

5

in particolare l’ A.venetianius che è in grado di degradare gli alcani C12-C28 del gasolio. Anche in

questo caso, come nel precedente, la presenza di idrocarburi alifatici, induce la produzione di una

glicoproteina emulsificante e protettiva della membrana fosfolipidica di A. venetianus.

Inoltre nei sedimenti della Laguna di Venezia sono stati isolati dei ceppi di microrganismi in

grado di degradare anche gli idrocarburi aromatici come il naftalene e bifenile tramite l’enzima

diossigenasi: Pseudomonas stutzeri.

D

E G

R

A

D

A

Z I

O

N

E A

N

A

E R

O

B I

C

A

In questi processi sono favoriti quegli organismi che sono in grado di utilizzare, nella

respirazione cellulare, altri accettori di elettroni, tra cui i nitrati, al posto dell’ossigeno. La

http://www.unive.it/nqcontent.cfm?a_id=56772

5 9

riduzione del nitrato produce meno energia di quella derivante dalla riduzione dell’ossigeno ed

inoltre, tale reazione, procede ad una velocità inferiore a quella della biodegradazione basata

sull’ossigeno. Di norma è sufficiente che la molecola del composto aromatico contenga almeno

un atomo di ossigeno per poter avviare la degradazione anche in anaerobiosi. Per esempio alcuni

composti fenolici vengono degradati da batteri denitrificanti, da fototrofi e da batteri solfato

riduttori. Dal punto di vista biochimico il catabolismo anaerobico degli aromatici procede

6

attraverso una riduzione e non un ossidazione come avviene in aerobiosi. Il processo prevede la

riduzione dell’anello aromatico seguita da dall’apertura dell’anello stesso che porta così alla

formazione di una catena lineare di un acido grasso o di un acido di carbossilico che fungono da

intermedi per la successiva trasformazione in acetil CoA.

Figura 5 degradazione anaerobica del benzoato (Brock p713)

Altri esempi di degradazione anaerobica avvengono con il benzene che viene degradato da

batteri denitrificanti e toluene da ferro riduttori e denitrificanti. La particolarità della

degradazione di questi due composti è il fatto che non contengano molecole di ossigeno ma

avvengano reazioni anaerobiche lo stesso. Difatti la degradazione di questi due composti è

effettuata dai batteri Pseudomonas (bacilli gram negativi aerobi/anaerobi facoltativi) nei quali il

gene “bphA1” è sostituito da “todC1” nel gene cluster bph acquisendo la capacità di crescere su

idrocarburi a singolo anello aromatico come benzene e toluene.

Il toluene è l’idrocarburo aromatico più facilmente biodegradabile in condizioni anaerobie. Gli

organismi denitrificanti che agiscono sul toluene appartengono soprattutto ai genere Thauera e

Azoarcus altri microrganismi molto diffusi e comuni in natura sono Geobacter metallireducens

(ceppo SG-15), un batterio ferro-riducente che ossida molti composti aromatici e Desulfobacula

toluoica, un batterio solfato-riducente. L’ossidazione del toluene e stata osservata anche in

condizioni metanogene da parte di batteri che vengono inibiti da nitrato o solfato. Sembra che il

toluene sia degradato attraverso l’intermedio centrale benzoil-CoA in tutti i batteri toluene-

ossidanti isolati finora. 7

Altri importanti batteri scoperti (M Crag Oregon University) in grado di disgregare petrolio e

sostanze tossiche di origine industriale, sono presenti nel sistema digerente delle balene

6 Biologia dei microorganismi

Brock, Madigan,

7 http://archiviostorico.corriere.it/1995/novembre/05/Batteri_utili_dallo_stomaco_delle_co_0_9511056919.shtml 10


PAGINE

23

PESO

676.47 KB

AUTORE

cabicabi

PUBBLICATO

+1 anno fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze ambientali
SSD:
A.A.: 2010-2011

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher cabicabi di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Microbiologia ambientale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Ca' Foscari Venezia - Unive o del prof Ravagnan Giampietro.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Corso di laurea in scienze ambientali

Riassunto Ecologia I
Appunto
Principi di Biologia Animale
Appunto
Principi di Biologia Vegetale
Appunto