Biodegradation of organic matter

ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
 Uptake of organic matter by suspended and sedimentary
material in water
– very important phenomenon.
– in the absence, pesticides in water would be much more toxic.

Biodegradation
– slow with sorption of a substance to a solid.
L'assorbimento della sostanza organica da materiale sedimentario e sospeso in
acqua è un fenomeno importante. Se non fosse per questo fenomeno, è probabile
che i pesticidi nell'acqua sarebbero molto più tossici.
La biodegradazione è generalmente sensibilmente rallentato, tuttavia, con
assorbimento di una sostanza ad un solido.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter

In certain intensively farmed areas,
– very high accumulation of pesticides in the sediments of streams, lakes, and
reservoirs.

Sorption of pesticides by solids
– resulting influence on their biodegradation
– important consideration in the licensing of new pesticides.
In alcune zone intensamente coltivate, vi è un accumulo molto elevato di pesticidi
nei sedimenti dei fiumi, laghi e bacini.
L'assorbimento di pesticidi da solidi e la conseguente influenza sulla loro
biodegradazione è una considerazione importante nella concessione di nuove licenze
di pesticidi.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
 Transfer of surface water to groundwater
– sorption of some water contaminants by soil and mineral material.

Movement of water from waste landfills to aquifers
– important process in which pollutants in the landfill leachate
– sorbed by solid material through which the water passes.
Il trasferimento delle acque superficiali nelle acque sotterranee si traduce spesso in
assorbimento di alcuni contaminanti dell’acqua attraverso suolo e materiale minerale.
Il movimento di acqua da discariche di rifiuti a falde è un processo importante in cui
inquinanti nel percolato di discarica, possono essere assorbiti dal materiale solido
attraverso cui passa l'acqua.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
 sorption of dilute solutions of halogenated and aryl
hydrocarbons by soil and sand

studied under simulated water infiltration conditions.
S = Kp C
– S and C concentrations of hydrocarbons in the solid and liquid phases,
– Kp is the partition coefficient.
L'assorbimento di soluzioni diluite di idrocarburi alogenati e arilici da suolo e sabbia è
stato studiato in condizioni di simulazione infiltrazione dell'acqua.
La relazione tra gli equilibri di assorbimento osservati possono essere espressi dalla
formula S = Kp C dove S e C sono le concentrazioni di idrocarburi nelle fasi solide e
liquide, rispettivamente, e Kp è il coefficiente di partizione.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
the two most important factors in the sorption of nonpolar organic
compounds were:
(1) the Fraction of Organic Carbon, FOC, in the solid sorbents;
(2) the 1- octanol/water partition coefficient, Kow, of the
organic compound.
Si è riscontrato che i due fattori più importanti nella stima dell'assorbimento di
composti organici polari sono:
(1) la frazione di carbonio organico, FOC, nelle adsorbenti solidi;
(2) il coefficiente di ripartizione 1 - ottanolo / acqua, Kow, del composto organico.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter

Kow
– measure of the tendency of a solute to dissolve from water into
– immiscible 1- octanol.
1-octanol mimics lipid tissue
Kow  tendency toward bioaccumulation of solutes in water.
Il valore Kow è una misura della tendenza di un soluto a dissolversi dall’acqua dentro 1 ottanolo immiscibile.
Questo alcool a catena lunga imita i lipidi (grasso) del tessuto, e Kow viene usato per
indicare una tendenza verso il bioaccumulo di soluti in acqua
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
The Kp of individual compounds was determined using the
following empirical relation:
Log Kp = 0.72 log Kow + log foc + 0.49
The sorption was found to be reversible on the solids studied,
which included natural aquifer material, river sediment, soil, sand,
and sewage sludge.
Il Kp (coefficiente di partizione) di singoli composti si determina usando la seguente
relazione empirica:
L'assorbimento dei solidi studiati, che includono materiali naturali di falda acquifera,
sedimenti del fiume, terra, sabbia e fanghi di depurazione risulta essere reversibile.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Interstitial water or pore water
water held by sediments
important reservoir for gases in natural water systems.
gas concentrations in interstitial waters are different from those in
the overlying water.
L’acqua interstiziale che consiste di acqua trattenuta dai sedimenti è un importante
serbatoio per gas in sistemi idrici naturali.
Generalmente, le concentrazioni di gas nelle acque interstiziali sono diversi da quelli
nell’acqua sovrastante.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
The results of the analyses of gases in interstitial water in some
sediments.
Gases in Interstitial Waters from Chesapeake Bay Sediments.
Gas
N2
N2
Ar
Ar
CH4
CH4

Depth
surface
1.00 m
surface
1.00 m
surface
1.00 m
Gas concentration, mL/L
13.5
2.4
0.35
0.12
0.00
140
CH4 could not be detected at the sediment surface:
– because the equilibrium concentration of methane in air is very low,
– it is biodegradable under aerobic conditions.
L'esame di questa tabella mostra che CH4 non poteva essere rilevato in corrispondenza
della superficie sedimento, perché la concentrazione di equilibrio del metano in aria è molto
bassa, ed è biodegradabile in condizioni aerobiche.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS

highest concentration at a depth of one meter was that of
methane.
The methane is produced by the anaerobic fermentation of
biodegradable organic matter, {CH2O}:
{CH2O}  CH4(g) + CO2(g)
Tuttavia, dei gas analizzati, di gran lunga la più alta concentrazione ad una
profondità di un metro era quello di metano che è prodotto dalla fermentazione
anaerobica delle sostanze organiche biodegradabili.
AQUATIC MICROBIAL
BIOCHEMISTRY
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES

bacteria, fungi, protozoa, and algae—
– living catalysts that enable a vast number of chemical processes to occur in
water and soil.

important chemical reactions that take place in water,
– involving organic matter and oxidation-reduction processes, occur through
bacterial intermediaries.
Microrganismi-batteri, funghi, protozoi, e alghe -o sono catalizzatori viventi
che permettono un gran numero di processi chimici che si verificano
nell’acqua e nel suolo.
La maggior parte delle reazioni chimiche importanti che si svolgono in
acqua, in particolare quelle che coinvolgono la materia organica e processi
di ossido-riduzione, avvengono attraverso intermediari batterici.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES

Algae
– primary producers of biological organic matter (biomass) in water.

Microorganisms
– responsible for the formation of many sediment and mineral deposits;
– play dominant role in secondary waste treatment.
Le alghe sono i produttori primari di della materia organica biologica
(biomassa) in acqua.
I microrganismi sono responsabili della formazione di sedimenti e di molti
giacimenti minerari, ma hanno anche un ruolo dominante nel trattamento
secondario dei rifiuti.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
– effects of microorganisms on the chemistry of water in nature:
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES

Microorganisms:
– prokaryotes and eukaryotes;
– well-defined cell nuclei enclosed by a nuclear membrane

Other differences:
location of cell respiration,
means of photosynthesis,
means of motility,
reproductive processes.

microorganisms produce spores,
– metabolically inactive bodies that form and survive under adverse
conditions in a “resting” state until conditions favorable for growth occur.
I microrganismi si dividono in due grandi categorie: procarioti ed eucarioti; questi ultimi hanno
ben definiti nuclei delle cellule racchiuseda una membrana nucleare. Altre differenze tra queste
due classi di organismi includono posizione della respirazione cellulare, mezzi di fotosintesi,
mezzi di motilità e processi riproduttivi. Tutte le classi di microrganismi producono spore, organi
metabolicamente inattivi che formano e opravvivono in condizioni avverse in uno stato di
"riposo" fino a quando si verificano le condizioni favorevoli per la crescita.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES

Fungi, protozoa, and bacteria
– reducers
– break-down chemical compounds to more simple species
– extracting energy needed for their growth and metabolism.

Algae
– producers
– utilize light energy and store it as chemical energy.
– in the absence of sunlight, utilize chemical energy for their metabolic
needs.


bacteria, protozoa, and fungi: environmental catalysts
algae: aquatic solar fuel cells.
Funghi, protozoi, e batteri (ad eccezione di batteri fotosintetici e protozoi) sono classificati
come riduttori, rompono i composti chimici in più specie semplici e quindi estraggono
l'energia necessaria per la loro crescita e il metabolismo. Le alghe sono classificate come
produttori, perché utilizzano l'energia della luce conservata sotto forma di energia chimica.
In assenza di luce solare, tuttavia, utilizzano energia chimica per le necessità metaboliche.
In un certo senso, dunque, batteri, protozoi e funghi possono essere considerati come
catalizzatori ambientali,mentre le alghe come celle solari acquatiche.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
All microorganisms can be put into one of the four following
classifications based on the sources of energy and carbon that
they utilize:
chemoheterotrophs, chemoautotrophs, photoheterotrophs,
and photoautotrophs.
These classifications are based upon
(1) the energy source
(2) the carbon source utilized by the organism.
Tutti i microrganismi possono essere inseriti in una delle quattro seguenti classificazioni
basate sulle fonti di energia e di carbonio che si utilizzano:
chemioeterotrofi e chemioautotrofi, i fotoeterotrofi, i fotoautotrofi
Queste classificazioni sono basate su (1) la fonte di energia (2) la fonte di carbonio
utilizzata dall'organismo.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES

Chemotrophs
– use chemical energy from oxidation-reduction reactions of simple
inorganic chemical species for their energy needs.

Phototrophs
– utilize light energy from photosynthesis.

Heterotrophs
– obtain their carbon from other organisms;

Autotrophs
– use carbon dioxide and ionic carbonates for required C.
Chemiotrofi utilizzano l'energia chimica derivata da reazioni di ossidoriduzione di
semplici specie chimiche inorganiche per i loro bisogni energetici.
Fototrofi utilizzano l'energia luminosa dalla fotosintesi.
Eterotrofi ottengono il loro carbonio da altri organismi;
Autotrofi usano anidride carbonica e carbonati ionici per il C di cui hanno bisogno
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Microorganisms at Interfaces
 Aquatic microorganisms grow at interfaces.
– microorganisms grow on solids that are suspended in water or are present
in sediments.

Large populations of aquatic bacteria
– reside on the surface of water at the airwater interface.
– this interface also accumulates food in the form of lipids (oils, fats),
polysaccharides, and proteins.
Microrganismi acquatici tendono a crescere sulle interfacce. Molti microrganismi
crescono sui solidi che sono sospesi in acqua o presenti nei sedimenti. Grandi
popolazioni di batteri acquatici in genere risiedono sulla superficie dell'acqua
all'interfaccia tra aria e acqua. Oltre ad essere in contatto con l'aria che i microrganismi
aerobici necessitano per i loro processi metabolici, questa interfaccia accumula anche
alimenti sotto forma di lipidi (oli, grassi), polisaccaridi e proteine​​.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Microorganisms at Interfaces
 Bacteria at this interface
– different from those in the body of water and may have a hydrophobic cell
character.

When surface bubbles burst,
– bacteria at the air-water interface can be incorporated into aerosol water
droplets and carried by wind.
– spreading disease-causing microorganisms.
Batteri a questa interfaccia sono generalmente diversi da quelli nel corpo d'acqua e
possono avere una cellula con carattere idrofobo. Quando bolle superficiali scoppiano,
batteri all’interfaccia aria-acqua possono essere incorporato in goccioline d'acqua
aerosol e trasportati dal vento. Si tratta di una questione di qualche preoccupazione per
quanto riguarda impianti di depurazione come possibile vettore per la diffusione di
microrganismi patogeni. *
ALGAE

Algae
– microscopic organisms that subsist on inorganic nutrients and produce
organic matter from carbon dioxide by photosynthesis.

Algae grow
–
–
–
–
single cells,
filaments,
sheets,
colonies
– or multicellular organisms (marine kelps)
Le alghe possono essere considerati come organismi microscopici che in genere
vivono con nutrienti inorganici e produconomateriale organico da anidride
carbonica attraverso la fotosintesi.
Oltre a singole cellule, le alghe crescono come filamenti, pellicole e colonie.
Alcune alghe, sono enormi organismi pluricellulari.
ALGAE
4 unicellular algae of importance in environmental chemistry:
 Chrysophyta,
– contain pigments that give these organisms a yellow-green or golden-
brown color (freshwater and marine systems).
– store food as carbohydrate or oil.
– diatoms,


characterized by silica containing cell walls.
Chlorophyta,
– known as green algae,
– responsible for most of the primary productivity in fresh waters.
Le quattro classi principali di alghe unicellulari di importanza in chimica ambientale sono:
Chrysophyta, che contengono pigmenti che conferiscono a questi organismi un colore
giallo-verde o bruno-dorato. Sono presenti sia in acqua dolce e sistemi marini. Esse
conservano il cibo come carboidrati o olio. Le più note sono diatomee, caratterizzati da silice
contenente pareti cellulari,• Chlorophyta, comunemente noto come alghe verdi, sono
responsabili della maggior parte della produttività primaria nelle acque dolci.
ALGAE

Pyrrophyta,
– known as dinoflagellates, are motile with structures that enable them to
move about in water.

Euglenophyta
– exhibit characteristics of both plants and animals.

capable of photosynthesis,
– but not exclusively photoautotrophic,
– utilize biomass from other sources for at least part of their carbon needs
• Pyrrophyta, comunemente note come dinoflagellati, sono mobili con strutture che
permettano loro di muoversi in acqua.
• Euglenophyta presentano entrambe caratteristiche di piante e animali.
Sebbene capace di fotosintesi, queste alghe non sono esclusivamente fotoautotrofe, e si
avvalgono di biomassa da altre fonti, per una parte delle proprie esigenze di carbonio.
ALGAE

nutrient requirements of algae
– carbon (obtained from CO2 or HCO3 -),
– nitrogen (generally as NO3 -), phosphorus (as some form of
orthophosphate),
– sulfur (as SO4 2-),
– trace elements: sodium, potassium, calcium, magnesium, iron, cobalt,
and molybdenum.

production of organic matter by algal photosynthesis
CO2 + H2O + h  {CH2O} + O2(g)
{CH2O} represents a unit of carbohydrate and h  stands for the energy of a
quantum of light.
I generali nutrienti richiesti dalle alghe sono carbonio (ottenuto da CO2 o HCO3 -), azoto
(generalmente come NO3 -), fosforo (come una qualche forma di ortofosfato), zolfo (come
SO4 =), e oligoelementi tra cui sodio, potassio, calcio, magnesio, ferro, cobalto,
molibdeno. In una forma estremamente semplificata, la produzione di sostanza organica da
fotosintesi delle alghe è descritta dalla reazione….
ALGAE

In the absence of light,
– * algae metabolize organic matter as photosynthetic organisms.
– * satisfy their metabolic demands utilizing chemical energy from the
degradation of stored starches or oils,
– * or from the consumption of algal protoplasm itself.

In the absence of photosynthesis,
– metabolic process consumes oxygen,
– in the darkness an aquatic system with a heavy growth of algae may
become depleted in oxygen.
In assenza di luce, le alghe metabolizzano materia organica nello stesso modo di
organismi non fotosintetici. Così, le alghe possono soddisfare le loro richieste metaboliche
utilizzando energia chimica dalla degradazione degli amidi immagazzinati o oli, o dal
consumo dello stesso protoplasma algale. In assenza di fotosintesi, il processo metabolico
consuma ossigeno, quindi durante le ore notturne un sistema idrico con una forte crescita di
alghe può diventare impoverito in ossigeno.
ALGAE

Symbiotic relationships of algae with other organisms are
common.
– as lichen in which algae coexist with fungi;
– both kinds of organisms are woven into the same tubular vegetative unit
– fungus provides moisture and nutrients required by the algae, that
generates food photosynthetically.

Lichen
– involved in weathering processes of rocks.
Il rapporto simbiotico più comune che coinvolge le alghe è quella di licheni in cui le
alghe coesistono con funghi; entrambi i tipi di organismi si intrecciano nella stessa
struttura (unità vegetativa tubolare).
Il fungo fornisce l'umidità e le sostanze nutritive necessarie alle alghe, che generano
nutrienti fotosinteticamente.
Licheni sono coinvolti in processi di erosione delle rocce.
ALGAE

Main role of algae in aquatic systems
– production of biomass.

Photosynthesis
– * fixes carbon dioxide and inorganic carbon from dissolved carbonate
–
–
–
–
species as organic matter,
* providing the basis of the food chain for the other organisms in the
system.
*but leading to accumulation of biomass that exhausts dissolved oxygen
when it decays (eutrophication),
* production of biomass is beneficial for other organisms in the aquatic
system.
*growth of algae can produce metabolites responsible for odor and
toxicity in water
Il ruolo principale di alghe nei sistemi acquatici è la produzione di biomassa. Ciò avviene
attraverso la fotosintesi, che fissa anidride carbonica e carbonato inorganico da specie
carbonatiche come sostanza organica, alla base della catena alimentare per gli altri organismi del
sistema. La produzione di biomassa è vantaggiosa per gli altri organismi del sistema idrico, a
meno che non si verifica in misura eccessiva, un conseguente accumulo di biomassa che
esaurisce l'ossigeno disciolto quando le alghe muoiono (eutrofizzazione), In alcune condizioni, la
crescita delle alghe può produrre metaboliti che sono responsabili per odore e tossicità in acqua .
FUNGI

Fungi are nonphotosynthetic filamentous organisms
– wide range of morphology (structure).
– from microscopic unicellular yeasts, to large structures.

Fungi are aerobic (oxygen-requiring) organisms
– can thrive in more acidic media than can bacteria.

more tolerant of higher concentrations of heavy metal ions
than are bacteria.
I funghi sono organismi non fotosintetici, spesso filamentosi, che presentano una vasta
gamma di morfologia (struttura). Alcuni funghi sono semplici come i lieviti unicellulari
microscopici, mentre altri funghi formano grandi funghi.
Le strutture di funghi filamentosi microscopici in genere sono molto più grandi dei
batteri, e di solito sono 5-10 micron di larghezza. I funghi sono aerobici e in generale gli
organismi possono prosperare in ambienti più acidi dei batteri. Sono anche più tolleranti a
concentrazioni più elevate di ioni di metalli pesanti.
FUNGI

most important function of fungi in the environment
– breakdown of cellulose in wood and other plant materials.

fungal cells secrete an extracellular enzyme (exoenzyme),
cellulase,
– hydrolyzes insoluble cellulose to soluble carbohydrates that can be
absorbed by the fungal cell.
La funzione più importante dei funghi nell'ambiente è la rottura della
cellulosa del legno e altri materiali vegetali.
A tale scopo, cellule fungine secernono un enzima extracellulare (esoenzima),
cellulasi, che idrolizza la cellulosa insolubile in carboidrati solubili che
possono essere assorbiti dalla cellula fungina.
FUNGI

Fungi do not grow well in water.

play an important role
– in determining the composition of natural waters and
wastewaters
– for large amount of their decomposition products that enter
water.
 humic material, which interacts with hydrogen ions and
metals.
I funghi non crescono bene in acqua.
Tuttavia, essi svolgono un ruolo importante nel determinare la composizione
delle acque naturali e delle acque di scarico a causa della grande quantità dei loro
prodotti di decomposizione che entrano acqua.
Un esempio di un tale prodotto è materiale umico, che interagisce con ioni idrogeno
e metalli.
PROTOZOA

Protozoa
– microscopic animals consisting of single eukaryotic cells.

classified
–
–
–
–
* morphology (physical structure),
* means of locomotion (flagella, cilia, pseudopodia),
* presence or absence of chloroplasts, presence or absence of shells,
* ability to form cysts (consisting of a reduced-size cell encapsulated in a
relatively thick skin that can be carried in the air or by animals in the
absence of water),
– * ability to form spores.
occur in a wide variety of shapes.
Some protozoa contain chloroplasts and are photosynthetic.
I protozoi sono microscopici e costituiti da singole cellule eucariotiche. Le numerose
specie di protozoi sono classificate sulla base della morfologia, dei mezzi di locomozione
(flagelli, ciglia, pseudopodi), della presenza o assenza di cloroplasti, di conchiglie, capacità
di formare cisti o spore. Protozoi si ritrovano in una varietà di forme Alcuni protozoi
contengono cloroplasti e sono fotosintetici.
PROTOZOA

Small role in environmental biochemical processes,
– significant in the aquatic and soil environment for the following reasons:

Several devastating human diseases,
– including malaria, sleeping sickness, and some kinds of dysentery, are
caused by protozoa that are parasitic to the human body.

Parasitic protozoa
– cause debilitating, even fatal, diseases in livestock and wildlife.
I protozoi svolgono un ruolo relativamente modesto sotto il profilo ambientale dei
processi biochimici, ma sono comunque significativi nell’ambiente acquatico e nel
terreno per i seguenti motivi: molte malattie umane, inclusa la malaria, la malattia del
sonno, e alcuni tipi di dissenteria, sono causate da protozoi che sono parassiti per il
corpo umano. I protozoi parassiti possono causare debilitazione anche mortale, malattie
del bestiame e della fauna selvatica.
PROTOZOA

Vast limestone (CaCO3) deposits
– formed by the deposition of shells from the foramifera group of protozoa.

active in the oxidation of degradable biomass
– in sewage treatment.

may affect bacteria active
– in degrading biodegradable substances by “grazing” on bacterial cells.
Vaste depositi di calcare (CaCO3) sono stati formati dalla deposizione di gusci di
protozoi del gruppo delle foramifere.
Protozoi sono attivi nella ossidazione di biomassa degradabile, in particolare nel
trattamento delle acque reflue.
I protozoi possono influenzare i batteri che sono attivi nella degradazione delle sostanze
biodegradabili attraverso “movimento" sulle cellule batteriche.
PROTOZOA

have a fascinating variety of structures that enable them to
function.

The protozoa cell membrane
– protected and supported by a relatively thick pellicle,
– or by a mineral shell that may act as an exoskeleton.

Food is ingested through a structure called a cytosome

Residue from food digestion is expelled through a cytopyge
– metabolic products, such as urea or ammonia, are eliminated
Anche se sono unicellulari, protozoi hanno una affascinante varietà di strutture che le
permettono di funzionare. La membrana cellulare dei protozoi è protetta e sostenuta da una
pellicola relativamente spessa, o da un guscio minerale che può agire come un esoscheletro.
BACTERIA

Bacteria
– single-celled prokaryotic microorganisms
– as rods (bacillus), spheres (coccus), or spirals ( vibrios, spirilla,
spirochetes).




Bacteria cells include a semirigid cell wall,
motility with flagella
multiplication by binary fission
Like other microorganisms, bacteria produce spores.
I batteri sono microrganismi unicellulari procarioti che possono essere a forma di barre
(Bacillus), sfere (coccus), o spirali (vibrioni, spirilli, spirochete).
Le cellule batteriche possono esistere singolarmente o crescere come gruppi che vanno
da due a milioni di cellule singole. Le caratteristiche della maggior parte dei batteri
includono una parete cellulare semirigida, motilità con flagelli per chi è capace di
movimento, natura unicellulare (anche se gruppi di clonate cellule batteriche sono
comuni), e moltiplicazione per scissione in cui ciascuna delle due cellule figlie è
geneticamente identica alla cellula madre. Come altri microrganismi, i batteri
producono spore.
BACTERIA

Metabolic activity of bacteria
– influenced by their small size.

surface-to-volume ratio is extremely large,
– inside of a bacterial cell is highly accessible to a chemical substance

bacteria may bring about very rapid chemical reactions
compared to those mediated by larger organisms
– for the same reason that a finely divided catalyst is more efficient than a
more coarsely divided one,
L'attività metabolica dei batteri è fortemente influenzata dalle dimensioni ridotte. Il
loro rapporto superficie-volume è estremamente grande, in modo che l'interno di una
cellula batterica è facilmente accessibile ad una sostanza chimica nel mezzo
circostante. Così, per la stessa ragione che un catalizzatore finemente suddiviso è più
efficiente di uno più grossolanamente diviso, i batteri possono provocare reazioni
chimiche molto rapide rispetto a quelle mediati da organismi superiori.
BACTERIA

Bacteria excrete exoenzymes
– break down solid food material to soluble components that can penetrate
on bacterial cell, where the digestion process is completed.

individual bacteria cells cannot be seen by the naked eye
– bacterial colonies arising from individual cells are readily visible.
I batteri secernono esoenzimi che rompono materiale solido del cibo in
componenti solubili che possono penetrare le pareti delle cellule batteriche, dove il
processo di digestione è completato.
Anche se le singole cellule batteriche non possono essere viste ad occhio nudo, le
colonie batteriche derivanti da singole cellule sono facilmente visibili.
BACTERIA
Autotrophic and Heterotrophic Bacteria…
Bacteria may be divided into two main categories, autotrophic
and heterotrophic.

Autotrophic bacteria
– not dependent of organic matter for growth and thrive in a completely
inorganic medium;
– use carbon dioxide or other carbonate species as a carbon source.
Autotrofi e batteri eterotrofi ...
I batteri possono essere divisi in due categorie principali, autotrofi e eterotrofi.
Batteri autotrofi non dipendono dalla sostanza organica per la crescita e crescono in un
mezzo completamente inorganico, essi utilizzano biossido di carbonio o altre specie di
carbonato come fonte di carbonio.
BACTERIA

Depending of bacteria species
– a number of sources of energy may be used
– a biologically mediated chemical reaction always supplies the energy.


example of autotrophic bacteria is Gallionella.
in the presence of oxygen
grown in a medium consisting of NH4Cl, phosphates, mineral salts, CO2 (as a
carbon source), and solid FeS (as an energy source).
energy-yielding reaction:
4FeS(s) + 9O2 + 10H2O  4Fe(OH)3(s) + 4SO4 2- + 8H+
Un certo numero di fonti di energia possono essere utilizzate, a seconda delle specie di
batteri, tuttavia, una reazione chimica mediata biologicamente fornisce sempre l'energia.
Un esempio di batteri autotrofi è Gallionella. In presenza di ossigeno, questi batteri sono
coltivati in un mezzo costituito di NH4Cl, fosfati, sali minerali, CO2 (come fonte di
carbonio), e FeS solidi (come fonte di energia). Si ritiene che la seguente reazione dia un
buon rendimento energetico per questa specie….
BACTERIA
Autotrophic and Heterotrophic Bacteria…

autotrophic bacteria
– must synthesize proteins, enzymes, and other materials necessary for
their life processes.
– starting with the simplest inorganic materials
are involved in many geochemical transformations
– because of their consumption and production of a wide range of minerals,.
The biochemistry of autotrophic bacteria is quite
complicated!!
Partendo con i più semplici materiali inorganici, i batteri autotrofi devono sintetizzare
tutte le proteine ​complesse, enzimi, e altri materiali necessari per i loro processi vitali.
Ne consegue, pertanto, che la biochimica di batteri autotrofi è piuttosto complicata.
A causa del loro consumo e di produzione di una vasta gamma di minerali, batteri
autotrofi sono coinvolti in numerose trasformazioni geochimiche.
BACTERIA
Autotrophic and Heterotrophic Bacteria…

Heterotrophic bacteria
– depend on organic compounds, both for their energy and for the carbon
required for their biomass.
– are much more common in occurrence than autotrophic
bacteria.
 microorganisms primarily responsible for the breakdown
– of pollutant organic matter in water,
– of organic wastes in biological waste-treatment processes.
Batteri eterotrofi dipendono da composti organici, sia per la loro energia e per il carbonio
necessario per costruire la loro biomassa.
Essi sono molto più comuni rispetto ai batteri autotrofi.
Batteri eterotrofi sono microrganismi principalmente responsabili della rottura di
inquinanti organici in acqua e dei rifiuti organici nel trattamento biologici dei rifiuti.
BACTERIA
Aerobic and Anaerobic Bacteria
depends on their requirement for molecular oxygen

.
Aerobic bacteria require oxygen as an electron receptor:
O2 + 4H+ + 4e-  2H2O

Anaerobic bacteria
– only in the complete absence of molecular oxygen.
– molecular oxygen is quite toxic to anaerobic bacteria.

facultative bacteria
– utilize free oxygen when it is available
– use other substances as electron receptors (oxidants) when molecular
oxygen is not available as nitrate ions and sulfate ions
Un altro sistema di classificazione dei batteri dipende dalla loro esigenza di ossigeno molecolare.
I batteri aerobici richiedono ossigeno come un recettore di elettroni: … Batteri anaerobici
funzionano solo in completa assenza di ossigeno molecolare. Spesso, l'ossigeno molecolare è
molto tossico per i batteri anaerobi. I batteri facoltativi, utilizzano l'ossigeno quando è
disponibile e usano altre sostanze come recettori di elettroni (ossidanti) quando l'ossigeno
molecolare non è disponibile come lo ione nitrato e lo ione solfato.
BACTERIAL METABOLISM

Bacteria obtain the energy and raw materials
– for their metabolic processes and reproduction by mediating chemical
reactions.

Nature provides a large number of such reactions
– bacterial species have evolved that utilize many of these.

Bacteria are involved in many biogeochemical processes in
water and soil.
I batteri ottengono l'energia e materie prime necessarie per i loro processi metabolici e per
la riproduzione mediando reazioni chimiche. La natura fornisce un gran numero di tali
reazioni, e le specie batteriche sono evolute utilizzando molte di queste. Come conseguenza
della loro partecipazione tali reazioni, i batteri sono coinvolti in molti processi biochimici in
acqua e suolo.
BACTERIAL METABOLISM

Bacteria are essential participants in elemental cycles in
nature
– nitrogen, carbon, and sulfur.
– responsible for the formation of many mineral deposits as
iron and manganese.

through bacterial action in natural water systems and even in pipes
used to transport water.
I batteri sono essenziali partecipanti in molti importanti cicli elementari in natura,
compresi quelli di azoto, carbonio e zolfo.
Essi sono responsabili della formazione di molti depositi minerali, inclusi alcuni di ferro
e manganese.
Su una scala minore, alcuni di questi depositi si formano attraverso l'azione dei batteri nei
sistemi idrici naturali, ed anche in tubi utilizzati per il trasporto dell'acqua.
BACTERIAL METABOLISM

Bacterial metabolism
– biochemical processes by which chemical species are modified in
bacterial cells.
– means of deriving energy and cellular material from nutrient substances.

catabolism, energy-yielding degradative metabolism
– breaks down macromolecules to their small monomeric constituents
–

anabolism,
– synthetic metabolism in which small molecules are assembled into large
ones.
Il metabolismo batterico riguarda i processi biochimici con cui vengono modificate specie
chimiche nelle cellule batteriche. Si tratta essenzialmente di uno strumento di derivazione
di energia e materiale cellulare da sostanze nutrienti.
Le due divisioni principali del metabolismo batterico sono catabolismo, metabolismo
energetico degradativo che rompe macromolecole in piccoli monomeri, e anabolismo,
metabolismo sintetico in cui piccole molecole vengono assemblate in quelle grandi.
BACTERIAL METABOLISM

key distinction among bacteria
– * terminal electron acceptor in the electron transport chain
– in the process by which bacteria gain energy by oxidizing food materials.

aerobic respiration:
terminal electron acceptor is molecular O2,
Una differenza fondamentale tra i batteri ha a che fare con l'accettore di
elettroni terminale della catena di trasporto degli elettroni
coinvolto nel processo da cui i batteri ottengono energia da materiali ossidanti
alimentari.
Se l'accettore di elettroni terminale è O2 molecolare, il processo è chiamato
respirazione aerobica.
BACTERIAL METABOLISM

anaerobic respiration.
– another reducible species: SO42-, NO3-, HCO3-, or Fe(III)
examples:
Desulfovibrio bacteria:
Methanobacterium:
Assorted bacteria:
convert SO42- to H2S,
reduce HCO3- to CH4,
reduce NO3– to NO2-, N2O, N2, or NH4
Se l'accettore di elettroni terminale è un'altra specie riducibile, comunemente SO4=, NO3, HCO3-, o Fe(III), il processo è chiamato respirazione anaerobica.
i batteri Desulfovibrio convertono SO4= to H2S,
Methanobacterium riducono HCO3- to CH4,
batteri assortiti riducono NO3 – a NO2-, N2O, N2 o NH4
BACTERIAL METABOLISM
Factors Affecting Bacterial Metabolism
 Bacterial metabolic reactions
– mediated by enzymes.

Enzymatic processes
– essentially the same as those in other organisms.

Enzyme activity
– increases in a linear fashion up to a value that
– represents saturation of the enzyme activity.
– after, increasing substrate levels do not result in increased enzyme
activity.

in bacterial activity which increases with available nutrients up to a
saturation value.
Le reazioni metaboliche batteriche sono mediate da enzimi, catalizzatori biochimici
endogeni agli organismi viventi. L’attività enzimatica aumenta di in modo lineare fino ad
un valore che rappresenta la saturazione al di là della quale, i livelli di substrato crescenti
non si traducono in un aumento dell'attività enzimatica.
Questo tipo di comportamento si riflette in attività batterica che aumenta con i nutrienti
disponibili fino ad un valore di saturazione.
BACTERIAL METABOLISM
Factors Affecting Bacterial
Metabolism
effect of temperature on enzyme
activity and on bacterial growth and
metabolism.

Curve shows a maximum
growth rate
– with an optimum temperature
and exhibits high decrease after
temperature maximum.
La figura mostra l'effetto della temperatura sull'attività enzimatica e sulla crescita
batterica e metabolismo. La curva presenta un tasso massimo di crescita con una
temperatura ottimale che è inclinata verso le temperature più elevate e presenta una
brusca diminuzione oltre la temperatura massima.
BACTERIAL METABOLISM
Factors Affecting Bacterial Metabolism

Bacteria show different temperature optima.

Psychrophilic bacteria
– temperature optima below 20°C.

mesophilic bacteria
– temperature optima between 20°C and 45°C.

thermophilic bacteria.
– temperature optima above 45°C
some bacteria being able to grow at 0°C, some thermophilic bacteria
existing in boiling hot water.
Ciò si verifica perché gli enzimi vengono distrutti per denaturazione a temperature non molto al
di sopra l'optimum. I batteri mostrano differenti temperature ottimali. Batteri psicrofili sono
batteri che hanno temperature ottimali di sotto di circa 20° C. La temperatura ottimali di batteri
mesofili è compresa tra 20° C e 45° C. I batteri aventi temperature ottimali superiori a 45° C
sono chiamati batteri termofili. L'intervallo di temperatura ottimale per la crescita batterica è
notevolmente ampio, con alcuni batteri in grado di crescere a 0 °C, e alcuni batteri termofili
esistenti in acqua bollente.
BACTERIAL METABOLISM
Factors Affecting Bacterial
Metabolism
 Enzymes have a pH optimum
around neutrality.
– tend to become denatured at pH
extremes.

For some bacteria,
– * those that generate sulfuric acid by Sebbene il pH ottimale varierà leggermente,
the oxidation of sulfide
gli enzimi hanno tipicamente un pH ottimale
– * or that produce organic acids by
intorno alla neutralità. Enzimi tendono a
fermentation of organic matter,
denaturare a pH estremi.
Per alcuni batteri, come quelli che generano
acido solforico per ossidazione di solfuro o
 the pH optimum
che producono acidi organici da
– may be quite acidic, illustrating the
fermentazione di materiale organico,
ability of bacteria to adapt to very
il pH ottimale può essere molto acido,
extreme environments.
illustrando la capacità dei batteri di adattarsi
ad ambienti molto estremi.
MICROBIAL TRANSFORMATIONS OF CARBON

Carbon
– essential life element and composes a high percentage of the dry
weight of microorganisms.

For most microorganisms,
– net energy yielding or energy-consuming metabolic processes
involve changes in the oxidation state of carbon.
 have important environmental implications.
– Ex: plants fix CO2 as carbohydrate, {CH2O},

CO2 + H2O  {CH2O} + O2(g)
Il carbonio è un elemento essenziale della vita e compone una percentuale del peso secco di
microrganismi. Per la maggior parte dei microrganismi, la maggior parte di energia netta
ceduta o di processi metabolici che consumano energia comportano cambiamenti nello stato
di ossidazione del carbonio. Queste trasformazioni chimiche del carbonio hanno importanti
implicazioni ambientali. Per esempio, quando le alghe e altre piante fissare CO2 come
carboidrati, come rappresentato……
MICROBIAL TRANSFORMATIONS OF CARBON

Energy from sunlight
– is stored as chemical energy in organic compounds.

when the algae die,
– bacterial decomposition occurs through aerobic
respiration in the reverse of the biochemical process,
– energy is released,
– oxygen is consumed.
Energia della luce solare viene immagazzinata come energia chimica in composti organici.
Tuttavia, quando le alghe muoiono, la decomposizione batterica avviene attraverso la
respirazione aerobica in un processo inverso del processo biochimico, l'energia viene
rilasciata, e l'ossigeno viene consumato.
MICROBIAL TRANSFORMATIONS OF CARBON

In the presence of oxygen,
– major energy-yielding reaction of bacteria is the oxidation of
organic matter.

bacteria and other microorganisms
– extract the energy needed to carry out their metabolic processes, to
synthesize new cell material, for reproduction, and for locomotion..

Partial microbial decomposition of organic matter
– is a major step in the production of peat, lignite, coal, oil shale, and
petroleum.

Under reducing conditions,
– “below water”, the oxygen content of the original plant material is
lowered, leaving materials with relatively higher carbon
contents.
Decomposizione microbica parziale di materia organica è un passo importante nella
produzione di torba, lignite, carbone, olio di scisto, e del petrolio. In condizioni riducenti, in
particolare sotto l'acqua, il contenuto di ossigeno del materiale vegetale originale (si abbassa,
lasciando i materiali con contenuto di carbonio relativamente più elevati.
MICROBIAL TRANSFORMATIONS OF CARBON
Methane-Forming Bacteria

Production of methane in anoxic sediments
– favored by high organic levels and low nitrate and sulfate levels.
–

Methane production
– key role in local and global carbon cycles as the final step in the
anaerobic decomposition of organic matter.
– source of about 80% of the methane entering the atmosphere.
I batteri che producono metano
La produzione di metano in sedimenti anossici è favorita da alti livelli di composti organici e
bassi livelli di nitrati e solfati. Produzione di metano ha un
ruolo importante nei cicli globali e locali carbonio come fase finale nella decomposizione
anaerobica di sostanza organica.
Questo processo è la fonte di circa 80% (ottanta) del metano che entra nell'atmosfera.
MICROBIAL TRANSFORMATIONS OF CARBON
Bacterial Utilization of Hydrocarbons
 Methane is oxidized under aerobic conditions
– bacteria that cannot use any material other than methane as an
energy source.

Methanol, formaldehyde, and formic acid
– intermediates in the microbial oxidation of methane to carbon
dioxide.

several types of bacteria
– degrade higher hydrocarbons and use them as energy and carbon
sources.
Utilizzo batterico degli Idrocarburi
Il metano viene ossidato in condizioni aerobiche da un numero di ceppi di batteri che non
possono utilizzare qualsiasi materiale diverso dal metano come fonte di energia.
Metanolo, formaldeide e acido formico sono intermedi nella ossidazione microbica del
metano a carbonio biossido. Diversi tipi di batteri in grado di degradare idrocarburi superiori
e usarli come fonti di energia e di carbonio ..
MICROBIAL TRANSFORMATIONS OF CARBON
Microbial Utilization of Carbon Monoxide
 Carbon monoxide is removed from the atmosphere by
contact with soil.
– nor green plants grown under sterile conditions show any capacity
to remove carbon monoxide from air,

this ability must be due to microorganisms in the soil.
– some bacteria are involved in CO removal.
– microorganisms metabolize CO,
– other aquatic and terrestrial organisms produce this gas.
Utilizzo microbico di monossido di carbonio
Il monossido di carbonio viene rimosso dall'atmosfera per contatto con il terreno. È stato
trovato che il monossido di carbonio viene rimosso rapidamente da aria a contatto con il
suolo. Poiché né terreno sterilizzato né piante verdi coltivate in condizioni sterili mostrano
alcuna capacità di rimuovere il monossido di carbonio dall'aria, questa capacità deve essere
dovuto a microrganismi nel terreno. E 'anche possibile che alcuni batteri sono coinvolti nella
rimozione CO. Considerando che alcuni microrganismi metabolizzano CO, altri organismi
acquatici e terrestri producono questo gas.
BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER

Biodegradation of organic matter
– in the aquatic and terrestrial environments is a crucial environmental
process.

Some organic pollutants are biocidal;
– effective fungicides must be antimicrobial in action.


Herbicides, designed for plant control,
Insecticides, used to control insects,
– generally do not have any detrimental effect upon microorganisms.
La biodegradazione della sostanza organica negli ambienti acquatici e terrestri è
un processo cruciale ambientale. Alcuni inquinanti organici sono biocidi; per
esempio, fungicidi efficaci devono fornire azione antimicrobica. Erbicidi, che
sono progettati per il controllo delle piante, e insetticidi, che vengono utilizzati
per controllare gli insetti, generalmente non hanno alcun effetto dannoso su
microrganismi.
BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER
The biodegradation of organic matter
by microorganisms occurs by way of a
number of stepwise, microbially
catalyzed reactions.
La biodegradazione di sostanze organiche da
microrganismi avviene mediante una serie di
graduali reazioni microbiche catalizzate.
BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER

Oxidation
occurs by the action of oxygenase enzymes.
microbially catalyzed conversion of aldrin to dieldrin is an
example of epoxide formation,

Epoxidation consists of adding an oxygen atom between two
C atoms in an unsaturated system as shown below:
L'ossidazione avviene tramite l'azione di enzimi ossigenasi.
La conversione catalizzata microbicamente di aldrin a dieldrin è un esempio di
formazione di epossido, un passo importante in molti meccanismi di ossidazione.
L’epossidazione consiste nell'aggiungere un atomo di ossigeno tra due atomi di C in
un sistema insaturo
BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER
Microbial Oxidation of Hydrocarbons

The degradation of hydrocarbons by microbial oxidation
is an important environmental process
– by which petroleum wastes are eliminated from water and
soil.
Bacteria capable of degrading hydrocarbons include
Micrococcus, Pseudomonas, Mycobacterium, and Nocardia.
Ossidazione microbica degli idrocarburi
La degradazione di idrocarburi per ossidazione microbica è un processo
importante ambientale in quanto è il mezzo principale attraverso il quale
vengono eliminati i rifiuti petroliferi da acqua e suolo.
Batteri degradanti di idrocarburi includono Micrococcus, Pseudomonas,
Mycobacterium, e Nocardia.
BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER
Microbial Oxidation of Hydrocarbons
 The most common initial step
– in the microbial oxidation of alkanes
– involves conversion of a terminal –CH3 group to a –CO2 group.

After formation of a carboxylic acid from the alkane,
– oxidation normally occurs by a process illustrated by the following
reaction, a –oxidation:
CH3CH2CH2CH2CO2H + 3O2  CH3CH2CO2H + 2CO2 + 2H2O
Il passo iniziale più comune nella ossidazione microbica di alcani comporta la
conversione di un terminale gruppo -CH3 a un gruppo-CO2.
Più raramente, l'attacco enzimatico iniziale comporta l'aggiunta di un atomo di
ossigeno ad un carbonio non terminale, formando un chetone. Dopo la formazione
di un acido carbossilico dal alcano, l’ulteriore ossidazione avviene normalmente
mediante un processo illustrato dalla seguente reazione…
BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER
Microbial Oxidation of Hydrocarbons

Hydrocarbons vary significantly in their biodegradability,
– microorganisms show a strong preference for straight-chain
hydrocarbons.
– branching inhibits b–oxidation at the site of the branch.
– quaternary carbon particularly inhibits alkane degradation.
Idrocarburi variano notevolmente nella loro biodegradabilità e i microrganismi
mostrano una forte preferenza per gli idrocarburi a catena lineare.
Una delle principali ragioni per questa preferenza è che la ramificazione inibisce la bossidazione. La presenza di un carbonio quaternario inibisce particolarmente la
degradazione di alcani.
BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER
Microbial Oxidation of Hydrocarbons
Aromatic (aryl) rings are susceptible to microbial
oxidation.
overall process leading to ring cleavage is:
cleavage is preceded by addition of –OH to adjacent
carbon atoms.
Nonostante la loro stabilità chimica, anelli aromatici sono suscettibili di
ossidazione microbica. L'intero processo che porta alla scissione anello è
….
in cui la scissione è preceduta da aggiunta di-OH ad atomi di carbonio