Fondamenti di Microbiologia
CH2O
CH3COOH
.......
Substrati
Biomasse
Interazioni fra Molecole e Microrganismi
E. Giusti: Fondamenti di bioenergetica cellulare
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Importanza dei microrganismi nell’ambiente
I microrganismi sono
presenti ovunque:
Nel terreno, come
decompositori
Microrganismi
Nell’acqua, come
catalizzatori biologici
In organismi più complessi
come parassiti, con
funzione di catalizzatori
biologici
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Alcuni microrganismi di rilevanza ambientale
NH4+
Nitrosomonas
NO2-
Nitrobacter
NO3-
Acinetobacter
N2
¾ Nitrosomonas: effettua l’ossidazione dell’ammoniaca in nitriti.
¾ Nitrobacter: prosegue l’opera del precedente ossidando i nitriti a nitrati
completando così l’ossidazione biologica dell’ammoniaca.
¾ Acinetobacter, Lampropedia: batteri che effettuano la denitrificazione
(trasformazione da nitrato ad azoto atmosferico) ed accumulo di polifosfati
¾ Rhizobium: bacillo aerobico che fissa l’azoto atmosferico in noduli associati
alle radici delle leguminose
¾ Methanobacterium, Methanococcus: batteri metanogeni in ambiente
anaerobico
¾ Microthrix parvicella, Nocardia: microorganismi filamentosi presenti nei
fanghi attivi, dove creano problemi di sedimentazione
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Dinamica dei microrganismi
¾ I microrganismi possono adattarsi a qualsiasi condizione
ambientale
¾ Molti di essi svolgono funzioni utili o addirittura essenziali per
l’ecosistema (degradazione inquinanti, decomposizione dei
detriti, produzione di sostanze utili)
¾ Si tratta di organismi elementari (unicellulari)
¾ Il loro metabolismo è molto semplice
¾ Assimilano nutrienti (substrato) attraverso la membrana cellulare
¾ La immagazzinano e la trasformano al proprio interno per
ricavarne energia e con questa fabbricare altro materiale cellulare
¾ In mancanza di nutriente esterno, utilizzano materiale nutriente di
riserva accumulato nella cellula (crescita sbilanciata)
¾ Si riproducono per scissione
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Ripartizione del Substrato
¾ Il metabolismo dei microorganismi sfrutta il substrato
attraverso due diversi percorsi metabolici
¾ Il cammino anabolico converte il Substrato in Biomassa
¾ Il cammino catabolico produce l’Energia necessaria a questa
trasformazione
BIOMASSA
Anabolismo
SUBSTRATO
Catabolismo
ENERGIA
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Una parte del
substrato è
convertita in
energia
biodisponibile
per
l’assimilazione
della restante
parte
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Ingredienti per il metabolismo cellulare
¾ La cellula ricava energia per la crescita ed il
mantenimento attraverso reazioni di Ossido-Riduzione
(RedOx)
¾ Esse hanno bisogno dei seguenti quattro elementi:
¾ Sorgente di Energia
¾ Fornisce l’energia per le reazioni Anaboliche (Sintesi)
¾ Sorgente di Carbonio
¾ Viene convertito in materiale cellulare (protoplasma)
¾ Donatore di Elettroni
¾ Alimenta la semireazione di ossidazione
¾ Accettore di Elettroni
¾ Alimenta la semireazione di riduzione
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Sorgente di Carbonio
¾ Il Carbonio utilizzato può essere:
¾ Carbonio Inorganico
(CO2 atmosferica o disciolta nell’acqua)
¾ Carbonio Organico
¾ Nel primo caso si ha a che fare con microorganismi
autotrofi in quanto sintetizzano biomassa (materia
organica ~ nCH2O) a partire da sostanze inorganiche
¾ Nel secondo caso si hanno microorganismi eterotrofi,
in quanto la biosintesi si basa su composti organici
¾ In questo caso la sorgente di energia coincide con la
sorgente di carbonio (organico)
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Forme di carbonio
¾ Carbonio inorganico
¾
¾
¾
¾
Nella molecola c’è un solo atomo di Carbonio
Carbonio in forma ossidata
La disponibilità di C. inorganico è legato all’equilibrio dei carbonati
Fase gassosa CO2( g )
¾ Fase liquida CO2( aq ) ↔ H 2CO3 ↔ H + + HCO3− ↔ 2 H + + CO32 −
¾ Carbonio organico
¾
¾
¾
¾
¾
Ogni atomo di Carbonio è legato ad altri atomi di Carbonio
Unica eccezione: Metano (CH4) - unico atomo di C
Carbonio in forma ridotta
Composti in grado di fornire energia per ossidazione
Es. Carboidrati, Acidi grassi, Proteine, etc…..
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Costituenti del metabolismo batterico
Sorgente di Energia
Micro
organismi
Sorgente
di Carbonio
Energia Solare
Manca lo stadio
di riduzione
Fotoautotrofi
Chemioautotrofi
CO2
CO2
Donatore
di elettroni
Accettore
di elettroni
H2S
H2O
Non necessario
perché manca
lo stadio
riducente
H2O
CO2
Composti
inorganici
H2, Fe++, S--,
NH4+,NO2-
Energia Chimica
La sorgente di energia ed
il
donatore di elettroni
concidono
C - organico
C - organico
Chemioeterotrofi
C - organico
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C - organico
O2
NO3-
Processo
Fotosintesi batterica
anaerobica
Fotosintesi batterica
aerobica
Fotosintesi algale
Ossidazione
+
Assimilazione
O2
Respirazione
aerobica
NO3-
Respirazione
anossica
C - organico
Fermentazione
anaerobica
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Scambio elettronico nei vari metabolismi eterotrofi
Il tipo di trasformazione che il Carbonio organico subisce dipende dai
livelli energetici disponibili, che sono tipici di ciascun metabolismo.
Fermentazione
anaerobica
Trasformazione
del Carbonio
Accettore di
elettroni
Substrato
organico
C
Prodotti di
fermentazione
Flusso
interno
di e-
Respirazione
anossica
Substrato
organico
Respirazione
aerobica
C
CO2
molto negativo
≈ −400 mV ÷ −100 mV
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C
CO2
e-
NO3 -, SO4 --, CO3 --
Ossido-Riduzioni
interne
Substrato
organico
e-
O2
POTENZIALE REDOX
debolmente negativo
o circa zero
≈ −50 mV ÷ 10 mV
positivo
> 10 mV
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Modelli di metabolismo cellulare (1)
Growth-decay: Una parte dell’organismo
scompare per fornire energia per il
mantenimento cellulare
(approccio classico).
Non è in grado di spiegare fatti
sperimentali, come le brusche
variazioni di consumo di ossigeno.
XH
decay
SS
hydrolysis
XS
Death-regeneration: Il materiale cellulare in
decadimento viene rilasciato attraverso la lisi
cellulare, senza consumo di ossigeno.
XH
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Substrato esterno
(particolato)
decay
fP X H
XI
growth
La frazione non-biodegradabile XI=fPXH rimane
come materiale inerte
SS
La rimanente frazione XI=(1-fP)XH è considerata
nuovamente disponibile come lentamente
biodegradabile (approccio ASM3)
XI
growth
(1 − f P )X H
hydrolysis
XS
Materiale cellulare
disponibile come
particolato
Substrato esterno
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Caratterizzazione del materiale a base carboniosa
Il substrato è caratterizzabile indirettamente attraverso il suo
equivalente in ossigeno o in carbonio (contenuto energetico)
¾ BOD (Biochemical Oxygen Demand) (mg O2/l)
¾ Quantità di O2 necessaria per ossidare biologicamente il substrato
¾ Riflette perfettamente i meccanismi naturali di biodegradazione
¾ COD (Chemical Oxygen Demand) (mg O2/l)
¾ Quantità di O2 necessaria per ossidare chimicamente il substrato
¾ Permette di ricavare “l’equivalente in Ossigeno” dei vari composti
organici, unificando la rappresentazione di substrati e biomasse
¾ Rende conto dello scambio di elettroni nelle reazioni di ossido-riduzione
fra substrato e biomassa
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BOD
¾ Biochemical Oxygen Demand: misura l’ossigeno consumato da
batteri (inoculo) per ossidare la sostanza organica.
¾ Due metodi
¾ manometrico (O2 costante)
¾ a depressione (consumo di O2)
¾ Pregi:
¾ Riproduce esattamente la biodegradazione naturale
¾ Difetti:
¾
¾
¾
¾
¾
Diluizione del campione
Incertezza nell’inoculo
Consumo di Ossigeno dovuto alla nitrificazione
E’ necessario un tempo considerevole (5 giorni = BOD5)
Scarsa riproducibilità
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Misura a depressione del BOD
¾ Si misura l’ossigeno consumato dal
metabolismo batterico
¾ Mentre l’ossigeno viene sottratto
dallo spazio di testa nella bottiglia,
al suo posto viene rilasciata CO2
come prodotto di respirazione
¾ Questa viene assorbita dal reagente
presente nel tappo K (OH)2
P atm
'P
O2 CO
2
¾ Perciò si ha una depressione nello
spazio di testa della bottiglia, che
viene misurata dal manometro
¾ La durata convenzionale è di 5
giorni → BOD5
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COD
¾ Chemical Oxygen Demand: ossidazione chimica mediante
bicromato di potassio ed acido solforico @ 150 °C.
¾ Non ossida l’Ammoniaca (nessun contributo di nitrificazione).
¾ Riflette il bilancio di Carbonio nelle reazioni biochimiche,
ossidando ogni sostanza carboniosa (eccetto alcuni aromatici).
¾ E’ il parametro diretto per l’equivalenza stechiometrica di
sostanze carboniose.
¾ Include anche componenti NON biodegradabili, ma questo non è un
problema per misure differenziali, es. COD per abbattimento.
¾ Questo difetto è risolto da tecniche analitiche che misurano
separatamente COD biodegradabile e nonbiodegradabile.
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Spettrofotometro
Misura di assorbanza:
¾
Il campione viene miscelato con
dei reagenti e riscaldato per un
certo tempo
¾
Avviene una reazione chimica
che produce dei composti di un
determinato colore e densità
ottica
¾
Queste caratteristiche sono
proporzionali al COD del
campione
¾
La determinazione viene fatta
per via spettrometrica: si misura
l’assorbimento ottico a
determinate lunghezze d’onda
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Misura del COD
Le cuvette contengono già i
reagenti necessari
Variano a seconda del campo di
concentrazione che si vuole
misurare
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Misura spettrofotometrica del COD
CUVETTA
SPETTROFOTOMETRO
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TERMOREATTORE
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Misura spettrofotometrica del COD
1.
Dopo la termodigestione che
avviene a 148 °C per 2 ore
ottenuta nel termoreattore il
campione nella cuvetta è pronto
per la misura
2.
Notare il colore giallastro della
soluzione, che sarà oggetto
della misura
3.
Si inserisce la cuvetta
nell’apposito alloggiamento
4.
Lo strumento legge il codice a
barre e predispone lo spettro di
assorbimento per la misura
5.
Premendo il primo tasto in alto
si dà inizio alla misura
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Bibliografia
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Hemond H.F. e Fechner E. J., Chemical fate and transport in the environment,
Academic Press, 1994.
Bailey J.E. e Ollis D.F. Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill, 1986.
Battley E.H., Energetics of Microbial Growth, Wiley, 1987.
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1994.
Cloete T.E. and Muyima N.Y.O. (eds.) Microbial Community Analysis, IAWQ
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