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biorisanamento

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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”
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