L'inquinamento è un'alterazione dell'ambiente, di origine antropica o naturale, che produce disagi o danni permanenti per la vita di una zona e che non è in equilibrio con i cicli naturali esistenti CH3 H3C H3C CH3 CH3 CH3 CH3 H3C CH3 Saturated linear hydrocarbons Saturated linear hydrocarbons CH3 Cl CH3 NO2 Aromatic hydrocarbons and cyclic hydrocarbons Substituted aromatic hydrocarbons and PAH Biodegradability CH3 CH3 Perché i composti aromatici sono così stabili e quindi recalcitranti alla degradazione? !!! Given enough time adapted microbial strains will appear in any environment polluted by xenobiotics (resistant strains, strains able to use xenobiotics as sources of energy, carbon, nitrogen, sulfur etc.) Co-­‐‑metabolismo contaminant degradation products Biodegradazione contaminant CO2 + H2O bacterium corn starch CO2 + H2O bacterium Parliamo di ingegneria metabolica applicata al biorisanamento… Nel corso dell’evoluzione i batteri hanno sviluppato grandi proprietà di adattamento alle diverse condizioni ambientali riuscendo a sfruttare come fonte di carbonio e di energia un numero vasto ed eterogeneo di composti chimici. In tempi relativamente recenti sono stati isolati particolari ceppi batterici e comunità microbiche in grado di utilizzare come unica fonte di carbonio e di energia idrocarburi alifatici e aromatici, convertendoli in intermedi del loro metabolismo centrale. I microorganismi individuati, il cui numero è in continuo aumento, hanno da subito suscitato grande interesse nella comunità scientifica per le possibili applicazioni in diversi ambiti delle biotecnologie, quali il biorisanamento ambientale e le bioconversioni. Attualmente sono conosciute più di 100 specie appartenenti a generi microbici differenti in grado di degradare idrocarburi. Il numero più ampio e specializzato appartiene al genere Pseudomonas. In misura inferiore posseggono analoghe capacità degradative i generi Rhodococcus, Azotobacter, Rhizobium, Nitrosomonas, Nitrobacter. In particolare, con il termine Pseudomonas si è soliti indicare una collezione eterogenea di batteri non enterici Gram-negativi, che sono non fermentativi e mobili. Alcuni ceppi di Pseudomonas, generalmente isolati da siti inquinati, sono capaci di metabolizzare o co-ossidare composti chimici altamente recalcitranti alla degradazione. Il biorisanamento è una tecnologia biologica di risanamento ambientale in cui si sfrutta la capacità dei microorganismi di degradare composti organici più o meno complessi utilizzandoli come unica fonte di carbonio e di energia. Nonostante l’elevata capacità degradativa dei microorganismi l’immissione nell’ambiente di xenobiotici ha determinato un peggioramento della qualità dell’ambiente. I composti xenobiotici vengono infatti degradati molto lentamente e si accumulano negli ambienti e nelle catene alimentari mettendo a rischio la salute Si definisce con il termine xenobiotico una sostanza di qualsiasi tipo, di origine naturale o dell’intero ecosistema. sintetica, estranea ad un organismo Una strategia per aumentare l’efficienza di degradazione di tali composti è quella di incrementare la popolazione microbica del sito di interesse mediante l’immissione di microorganismi alloctoni. Tale processo è noto come bioaugmentation e può essere realizzato mediante l’immissione di microorgansimi che contengono naturalmente le capacità degradative richieste, oppure microorgansimi che hanno acquisito tale capacità in seguito a modificazione genetica. In biologia, per specie alloctona o specie aliena si intende una qualsiasi specie vivente (animale, vegetale o fungo) che, a causa dell'azione dell'uomo (intenzionale o accidentale), si trova ad abitare e colonizzare un territorio diverso dal suo areale storico, autosostenendosi riproduttivamente nel nuovo areale BIOREMEDIATION BIORISANAMENTO Biostimulation in situ Bioaugmentation ex situ La natura è il miglior medico di sé stessa (?) Biostimolazione: 1. Microrganismi in grado di degradare o inattivare sostanze inquinanti sono già presenti in natura (particolarmente se l’ambiente ha già ricevuto basse concentrazioni di inquinanti su lunghi periodi) 2. Un accumulo di sostanze inquinanti risulta in uno sbilanciamento del rapporto tra elementi nutrizionali che va ristabilito (es.: eccesso di C da inquinamento di idrocarburi va controbilanciato da aggiunta di N e P nell’ambiente) = fertilizzazione. Bioaugmentation Trattamento di sostanze inquinanti “in situ” con ceppi non indigeni (es. overproduttori di vie degradative): Sebbene questo approccio sia stato promettente in laboratorio, non ha sempre dato buoni risultati “sul campo”. Impossibilità di controllare: Temperatura (variazioni stagionali e di zona climatica: nel terreno da < 0° a > 45°) Terreno di coltura: quasi esclusivamente oligotrofico Predazione: batteriofagi/batteri in rapporto 10:1 nelle acque marine; presenza di protozoi, nematodi, competizione da batteri “indigeni” Capacità di aderire al substrato: la formazione di biofilm consente una stabilità delle colonie batteriche ed una prolungata azione di biorisanamento Per essere di effettivo interesse biotecnologico i batteri: - Devono essere in grado di degradare in maniera consistente le sostanze inquinanti di interesse - Devono essere attivi “in situ”, cioè nell’ambiente naturale - Devono persistere nell’ambiente senza turbarne la biodiversità - Dovrebbero preferibilmente possedere attività biodegradativa endogena (non essere geneticamente modificati, a meno che possa essere contenuta la loro dispersione nell’ambiente) Searching for new microorganisms Databases of microbial genomes BLAST searches with mono- and di-oxygenases sequences Microorganisms with hypothetical genes for the of metabolism xenobiotics Acquisition from culture collections Screening for growth on xenobiotics Searching for new peculiar enzymatic activities in microorganisms isolated from polluted environments Ideonella sakaiensis Il batterio mangia-plastica Shosuke Yoshida et al., 2016 Science batterio della famiglia Comamonadaceae capace di digerire il polietilene tereftalato (PET) attraverso l'idrolisi delle catene polimeriche. PETase migliorata Effetto di modifiche “casuali” Binding site Ideonella sakaiensis “potenziata”
