Cicli della biosfera ruolo primario dei microrganismi assimilazioni
Cicli della biosfera: ruolo primario dei microrganismi assimilazioni Materiale inorganico (minerale) mineralizzazioni A Materiale organico (vivente) B D Materiale inorganico (fossile, humus) C Cicli vitali Materiale organico (morto) trasformazioni Vegetale* Microbico Animale Le Fasi Critiche sono quelle lente: Colli di bottiglia Ciclo C = degradazione polimeri vegetali C Ciclo N = fissazione dell’azoto atmosferico N 2 A * Materiale organico (biomassa vivente) maggioritario Elementi chimici insolubili/gassosi Trasformazioni microbiche (inorganici, carbonati, CO 2) Serbatoio di riserva abiotico: scambi lenti Serbatoio gassoso: C, N A Serbatoio sedimentario: P, K, S, Fe … Elementi solubili/assimilabili Sacca di scambio: scambi veloci Assorbimento radicale Materiale organico vegetale
combustioni Ciclo del Carbonio CO 2 atmosferico fissaggio Pool carbonio organico respirazione • • • trasformazioni microbiche Biomassa: Materiale vivente Spoglie Secrezioni Humus Materiale fossile Rifiuti Processo di interesse industriale ed ambientale Ciclo globale del carbonio negli anni 90 (riserve in Gt, flussi in Gt/anno). In nero i valori pre-industriali (naturali) in rosso quelli antropogenici. La riduzione del carbonio dovuta all’uso dei combustibili fossili (-244) e al cambio d’uso del terreno (-140) non è compensata dall’accumulo di C atmosferico (+165) e marino (+18, +100) e dall’aumento del C superficiale (+101). Se ne deduce una perdita netta di 39 Gt. I flussi hanno un’incertezza di ± 20%. ‘GPP’ è la produzione primaria lorda annuale.
Principio della ‘catena alimentare’ nelle trasformazioni biologiche ambientali: Sequenze di trasformazioni operate dai microrganismi M 1 Substrato 1 M 3 Substrato 3 Prodotto 2 Prodotto 1 Substrato 2 Prodotto 3 Substrato 4 M 2 M 4 Ruolo degli enzimi nella trasformazione della sostanza organica Polimeri organici Lignine Chitine Cellulose Amidi Proteine etc Respirazione aerobici +O 2 Enzimi extracellulari Monomeri Trasporto Assimilazione -O 2 Fermentazione anaerobici biomassa CO 2 H 2 O energia biomassa CO 2 CH 4 H 2 NH 3 alcoli acidi organici poca energia +O 2 poca biomassa
Organicazione del Carbonio (fase A del ciclo) Effettori: • Piante • Microrganismi (microalghe e cianobatteri marini) Categorie nutrizionali: • Foto-autotrofi (CO 2 + luce → biomassa) ciclo di Calvin = reazioni indipendenti dalla luce, avvengono nei centri fotosintetici dei cloroplasti e strutture analoghe dei procarioti, la luce fornisce l’energia (ATP, NADPH) • Chemio-autotrofi (CO 2 + redox chimiche → biomassa) energia e redox da H 2 S, S, Fe 2+, H 2, NH 4 Micro-alghe blu-verdi (cianobatteri)
Metabolismo – Ciclo di Calvin 1. Ribulosio 5 P + ATP → Ribulosio 1, 5 bis. P + ADP 2. Ribulosio 1, 5 bis. P + CO 2 → 2 3 P-glicerato 3. 3 P-glicerato + ATP → 1, 3 bis. P glicerato + ADP 4. 1, 3 bis. P glicerato + NADPH/H + → gliceraldeide 3 P + NADP + + Pi 5. 5 gliceraldeide 3 P → via dei pentosi → 3 Ribulosio 5 P 6. 3 P glicerato/gliceraldeide 3 P → metabolismo centrale ENZIMI: 1. Ribulosio fosfato kinasi (specifico) 2. Ribulosio bis fosfato carbossilasi – Ru. Bis. Co – (specifico) 3. Fosfoglicerato kinasi (glicolitico) 4. Gliceraldeide fosfato deidrogenasi (glicolitico) Reazione netta: 3 CO 2 + 6 NADPH/H+ + 5 H 2 O + 9 ATP → gliceraldeide 3 P + 2 H+ + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi
CO 2 ADP ATP Ru 1, 5 -bis. P Ru. Bis. Co kinasi Ru 5 -P 3 -P glicerato ATP kinasi ADP 1, 3 -bis. P glicerato Via dei pentosi deidrogenasi gliceraldeide 3 -P NADPH/H+ NADP+ + Pi
Figura 15. 3. 1 - La via ciclica dei pentosi. La CO 2 ed il potere riducente (NADPH/H+) prodotti ad ogni ciclo rendono conto di una mole di glucosio ogni sei cicli interi, escludendo dunque l’eventuale sottrazione di intermedi per le vie biosintetiche primarie.
Ruolo dei microrganismi nella degradazione (mineralizzazione) del materiale vegetale (fase/i C/D del ciclo) Biomassa vegetale Componenti solubili (linfe, citoplasma …) 5 -30% materiale Microrganismi generici presenti t = giorni CO 2 + biomassa microbica Residuo insolubile Polimeri stabili (lignina max 30%, cellulosa max 60%) Microrganismi specializzati t = anni humus + biomassa microbica Polimeri labili 5 -30% (amidi, proteine, pectine, emicellulose) Bacillus Microrganismi specializzati t = mesi CO 2 + biomassa microbica Clostridium Metabolismo dei componenti solubili: zuccheri semplici, acidi organici, alcoli Microrganismi aerobici (Bacillus) → respirazione → CO 2 H 2 O ATP (biomassa) Microrganismi anaerobici (Clostridium) → fermentazione → CO 2 acidi alcoli CH 4: poco ATP → poca biomassa
Metabolismo dei polimeri ‘labili’ (aggredibili): amido, emicellulosa, pectina, chitina Amido Enzimi idrolitici: • -amilasi, endo 1 -4 glucosidasi, presente in piante, mammiferi e microrganismi (Aspergillus, Bacillus) • -amilasi, eso 1 -4 glucosidasi, produce maltosio e destrine, presente in piante e pochi microrganismi • glucoamilasi, eso 1 -4, 1 -6 glucosidasi, comunque NON idrolizza COMPLETAMENTE l’amido, presente in funghi, lieviti e batteri Microrganismi: • Batteri: Bacillus, Clostridium, alcuni attinomiceti • Funghi: Mucor, Rhizopus, molti basidiomiceti
Emicellulosa: • • Componente del legno, insieme a lignina, cellulosa ed altri componenti minori Composizione: eteropolimero di esosi, pentosi e acidi uronici Microrganismi: • Batteri aerobici: Streptomyces, Pseudomonas, Achromobacter, Micomonospora • Batteri anaerobici: Clostridium • Funghi aerobici: Aspergillus, Penicilluim, Trichoderma
Pectine: • • Eteropolimero dell’acido galatturonico, del metil-galatturonato e altri Costituente strutturale delle piante
Meccanismo di degradazione Pectina grezza Protopectinasi (A) Pectina + Altri costituenti (cellulosa) Pectino-metilesterasi (B) poligalatturonico + metanolo Galatturonasi (C) galatturonato • • • trasporto aerobico/anaerobico Pochi microrganismi degradano COMPLETAMENTE le pectine (A+B+C) La maggior parte intervengono in successione nelle fasi finale: • Aerobi: Bacillus, Erwinia • Anaerobi: Clostridium, Plectridium • Funghi: Aspergillus, Mucor, Penicillium, Sclerotinia Microrganismi simbionti/parassiti: penetrazione e colonizzazione Pectinasi: pretrattamento fibre vegetali per industria tessile Pectinasi: liberazione polimeri fermentabili per bioetanolo
Chitine: • • Polimero della N-acetil glucosammina Percentuale rilevante del C organico Pareti cellulari dei funghi Esoscheletro di insetti Microrganismi: • Attinomiceti aerobici del suolo (chitinasi) • Presenza di azoto → fonte N → facilitazione della crescita
Cellulosa: • • Omopolimero del glucosio Composto più abbondante della biosfera 60% del carbonio fissato (serbatoio di accumulo di CO 2) 40 Gt/anno prodotte Fonte di materie prime, fibre tessili, energie rinnovabili Associata ad altre fibre vegetali (legno, cellule e strutture vegetali) Pura solo in alcuni microrganismi (capsula), alghe e cotone
Degradazione della cellulosa: • Enzimi endo/eso glucanasi; β-glucosidasi • Complessi enzimatici (batteri) • Enzimi solubili secreti (funghi) • Microbi cellulolitici ubiquitari (biosfera e apparato digerente) • Condizioni di degradazione ad ampio spettro (aerobie, anaerobie, mesofile, termofile, acidofile)
1 - Batteri del suolo superficiale: aerobi e mesofili (p. H neutro) • Generi: Cytophaga, Sporocytophaga • Cellulolitici primari: degradano la cellulosa al 80 -90% • Cellulolitici obbligati: attaccano solo la cellulosa Cytophaga 2 – Batteri del suolo profondo: microaerofilici • Generi: Bacillus, Cellulomonas • Necessità di azoto 3 – Batteri del suolo/sedimenti profondo e tubo digerente: anaerobi • Generi: Butyrivibrio, Clostridium, Fibrobacter, Ruminococcus • Necessità di azoto • Polifagi (usano anche altre sostanze oltre alla cellulosa) • Simbionti degli erbivori Foraggio vegetale ingestione Cellulosa Anaerobi simbionti Assimilazione alimento Cellulomonas Ruminococcus Composti intermedi non ossidati (acidi, alcoli)
4 – Funghi: tipici del sottosuolo forestale • Maggiori degradatori di cellulosa • Aerobi superficiali: Trichoderma, Aspergillus, Phanerochaete • Anaerobi: Neocallimastix, Piromonas, Sphaeromonas • Attivi su terreni acidi • Fattore limitante è l’azoto: C/N ottimale = 50. Nei residui vegetali C/N = 100÷ 200 → crescita e cellulolisi limitate dalla disponibilità di azoto • Importanza dell’acqua: rigonfiamento fibre → migliore contatto con enzimi e distacco filamenti → idrolisi facilitata Trichoderma Piromonas Neocallimastix Phanerochaete
Lignina: componente strutturale del legno che ne determina le caratteristiche chimico -fisiche • Rigidità e resistenza meccanica • Resistenza alla degradazione • Struttura polimerica reticolata variabile ed amorfa • Monomeri variabili derivati dal fenil-propano • Sintesi sia enzimatica che da condensazioni chimiche spontanee • Composizione variabile a seconda delle piante: Gimnosperme (abete) 80: 14: 6 (coniferilico: sinapilico: cumarilico) Angiosperme (faggio) 49: 46: 5 (coniferilico: sinapilico: cumarilico)
Esempio di una struttura possibile della lignina (prevalenza di legami etere)
Degradazione della lignina: • • • Struttura amorfa → proprietà colloidali → difficile degradazione enzimatica Enzimi idrolitici e redox: fenolo-ossidasi (laccasi, perossidasi, tirosinasi) I prodotti di degradazione possono ri-polimerizzare Elevate concentrazioni di ossigeno necessarie per l’apertura ossidativa dell’anello aromatico → degradazione impossibile in anaerobiosi e/o in acqua → ubiquitarietà delle piante Reazioni lignolitiche: • Depolimerizzazione • Distacco catena propanica • Distacco metossili • Apertura anello aromatico • Idrolisi/ossidazione derivati alifatici Depolimerizzazione della lignina
Microrganismi lignolitici: • • Principalmente funghi Classificati secondo l’aspetto del prodotto 1 - Marciume molle • Attaccano lignina e cellulosa, no pectina ed emicellulosa • Generi: Chaetomium, Humicola, Paecilomyces 2 – Marciume bruno • Degradano tutti i polimeri vegetali ma non aprono gli anelli aromatici • Producono melanina • Generi: basidiomiceti 3 – Marciume bianco • Ligninolitici primari • Degradano tutti i polimeri a CO 2 e H 2 O • Molto efficienti • Generi: Phanerochaete, Polyporus • Il colore bianco è dato dalle ife che colonizzano il legno
Humus: • Sostanza organica del suolo ligno-proteica • Amorfa, colloidale, insolubile • 2 -5% del suolo • Composizione C: N: P: S = 100: 1: 1 • Caratteristiche: • Ritenzione idrica • Proprietà tamponanti • Scambiatore ionico • Aggregante di parte minerale del suolo • Fonte di C e N (serbatoio) per microflora • Degradazione dell’Humus: 150 -1500 anni
40% Polimeri vegetali decomposizione Biomassa microbica Monomeri 60% Fenoli non assimilabili + O 2 Humus Sintesi dell’Humus: • • • Intrappolamento biomassa microbica Polimerizzazione spontanea Temperature 10 -45°C Sintesi e degradazione max ad alte temperature Taglio piante per coltivazioni erbacee → ↓ apporto di lignina → ↓humus → ↓ fertilità → desertificazione Desertificazione accelerata nei paesi caldi (taglio foreste tropicali) per degradazione accelerata ↓ humus → mancanza di aggregazione → perdita di minerale per ruscellamento → desertificazione
Tipi di Humus Tipo Ambiente di formazione p. H C/N Decomposizione sostanza organica Microflora dominante Mineralizzazione dell’humus Mull calcico Roccia calcarea, prateria, terreno agricolo >7 10 Rapida Batteri, attinomiceti Lenta Mull forestale Roccia non calcarea, foresta di latifoglie 5, 5 12 -20 Rapida Funghi Rapida Moder Roccia silicea, foresta mista 4 -5 15 -25 Media Funghi acidofili Molto lenta Mor Roccia silicea, foresta di aghifoglie 3, 5 -4, 5 25 Lenta Funghi acidofili Molto difficile Anmoor Suoli forestali con periodi di ristagno d’acqua Variabile <20 Lenta Batteri anaerobi Lenta Torba acida Palude acida 3, 5 -4 30 -40 Molto lenta Funghi (pochi) Molto difficile Torba calcica Palude calcarea 7 -7, 5 15 -30 Molto lenta Batteri anaerobi Molto difficile
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