Ecosistema ambiente organismi macro e micro o solo

• Ecosistema = ambiente + organismi (macro e micro o solo micro) • Ecosistema microbico = microambiente → ordine di grandezza del millimetro • Macroambiente omogeneo = Σ di microambienti eterogenei (struttura, composizione, parametri fisici) • Parametri ambientali: • • Stabili Variabili • Parametri principali: • • Temperatura da -50°C (zone polari) a +350°C (sorgenti termali abissali); temperature comuni della biosfera: -10°C ÷ +40°C p. H da ~1 (sorgenti sulfuree) a ~10 (laghi salini alcalini) Salinità (osmosi) fino a 3, 5% Na. Cl (mare); fino a 35% Na. Cl (laghi salati desertici, saline) Pressione atmosferica da 760 mm. Hg (mare) a 230 mm. Hg (gli «ottomila» ) Pressione idrostatica nel mare (1 atm ogni 10 mt circa di profondità) Luce Ossigeno Composizione chimica • Altri parametri: • • Radiazioni Inquinanti chimici Aridità Vuoto

• Ambiente convenzionale ed ambiente estremo → concetto antropocentrico • Microrganismi = ubiquitari → popolano tutti gli ambienti • Ambienti estremi → microrganismi estremofili → caratteristiche biologiche peculiari → interesse di base ed applicativo Generi Ambienti Applicazioni Termofili: Sulfolobus, Hyperthermus, Pyrobaculum, Desulfurococcus, Staphylothermus, Thermococcus, Pyrodictium, Thermus Solfatare, sorgenti idrotermali superficiali e sottomarine, pozzi petroliferi marini Produzione di enzimi termostabili, degradazione di xenobiotici, produzione di acidi organici, o combustibili liquidi Alofili: Halobacterium, Haloferax, Alcaligenes, Micrococcus Saline, laghi desertici e salati, salamoia Produzione di emulsificanti, surfrattanti, bioplastiche, enzimi, osmoliti, impiego in diagnostica clinica Metanobatteri: Methanobacterium, Methanosarcina, Methanothrix Impianti depurativi, sedimenti superficiali e sottomarini, apparato gastrointestinale , insetti Trattamento rifiuti liquidi, produzione di metano Acidofili: Thiobacillus Miniere di carbone e zolfo, acque reflue solforose, sorgenti idrotermali, terreni acidi Recupero minerali

Termofili Ambienti termali: alta T e bassa [O 2] → i tipi metabolici più comuni dei termofili sono: Anaerobi obbligati con respirazione anaerobica > fermentativi > respiratori aerobici Classificazione secondo la T di massima μ: • Psicrofili • Mesofili (20 -40°C) • Termofili (50°C) • Estremofili (70°C) • Ipertermofili (90°C) Intervallo di temperatura di riproduzione: 20 -30°C La specie termofila è quella con una T di μmax elevata rispetto alle altre specie del gruppo tassonomico ln. N tempo (ore)

Tempi di duplicazione td medi: • Termofili 15’ • Mesofili 20’ Tmin e Tmax sono geneticamente determinate: Mutanti con Tmin aumentata o Tmax diminuita (cold-sensitive o heat-sensitive)

Categorie nutrizionali molto varie: • Autotrofi o eterotrofi • Aerobici o anaerobici • Fototrofi o chemotrofi • Acidofili (p. H ottimale 1, 5 ÷ 5) o neutrofili (p. H 5 ÷ 8) Metabolismo dei termofili (punti ancora da chiarire completamente e caso per caso): • Rese biomassa simili ai mesofili • Resa energetica minore → poca biomassa • Regolazione potenzialmente diversa: ad esempio no repressione da catabolita in quanto adattati a scarsezza di nutrienti → eventualmente aumento del prodotto • Processi anaerobici avvantaggiati dalla bassa concentrazione di ossigeno Caratteristiche strutturali dei termofili: • Proteine più stabili e con un basso turnover • Membrane con acidi grassi ad alta T di fusione • DNA con alto contenuto di GC

Vantaggi dell’uso dei termofili in processi biotecnologici: • Uso di temperature elevate di processo → • Maggiore velocità di produzione • Inattivazione dei patogeni • Basse spese di raffreddamento • Maggiore velocità di diffusione e maggiore solubilità dei prodotti chimici • Riduzione della viscosità, tensione superficiale e densità dei brodi • Recupero dei volatili durante il processo Esempi di applicazioni: • Enzimi termostabili (industria, farmacologia, ricerca) • Nuovi antibiotici • Prodotti di fermentazione • Produzione di idrogeno da cianobatteri termofili (fotoproduzione) o da batteri anaerobi (degradazione del carbonio organico) • Produzioni agronomiche (compost e trattamenti delle lettiere)

Microrganismi termofili autotrofi: • Metanogeni • Acidofili (Sulfolobus: archebatterio) • Sporigeni (Bacillus, Clostridium) Microrganismi termofili eterotrofi: • Bacillus, Clostridium, Thermus, Thermomicrobium • Termofili estremi (Thermoanaerobacter, Thermoanaerobium, Thermobacteroides) Thermoanaerobacter sulfurigignenes Sulfolobus sulfataricus Thermus thermophilus

Alofili Microrganismi alofili (osmofili) = necessitano di elevate pressioni osmotiche Microrganismi alotolleranti (osmotolleranza) = sopportano elevate pressioni osmotiche Differenza tra alofilia (sali) e osmofilia (osmoliti generici) Non alofili: π equivalente < 2, 5% Na. Cl Alofili moderati: 3 ÷ 10% Na. Cl (mare e oceani) Alofili: 10 ÷ 20% Na. Cl Ambienti ipersalini Alofili estremi: > 20% Na. Cl L’ambito di tolleranza dipende dalle condizioni di coltivazione Gli osmofili producono «osmoliti» intracellulari per compensare la π ambientale: • Zuccheri • Polioli (glicerolo) • Betaina (R 3 N+-CH 2 -COO-) • Ectoina • Amminoacidi • Accumulano Na. Cl (osmofili estremi, Archea)

Micro alofili appartengono a gruppi tassonomici differenti: batteri, alghe, protozoi Alofili moderati: specie metanogene (Methanohalophilus e Halomethanococcus), cocchi gram-positivi (Micrococcus, Marinococcus, Salinococcus, Pediococcus ecc); bacilli sporigeni; aerobi gram-negativi (Vibrio, Halomonas). Alofili: specie anaerobie (Haloanaerobium, Halobacteroides, Sporohalobacter), anaerobi sporigeni fototrofi (Chromatium, Chlorobium, Rhodospirillum). Si distribuiscono nell’ambiente a seconda delle necessità rispetto a luce ed ossigeno: i cianobatteri fotosintetici nella zona ossica. I batteri fotosintetici verdi e viola nella zona anossica non raggiunta dal visibile (usano luce a 750 nm per fotosintesi). Microalghe (Dunaliella) Alofili estremi: appartengono soprattutto al gruppo degli Archea. Le specie più comuni appartengono alla famiglia delle Halobacteriaceae (Halobacterium, Halococcus, Haloferax, Haloarcula, Haloquadratum). Alcuni sono alcalofili (Natronobacterium, Natrococcus). Halomonas Chlorobium Halococcus (sarcine) Haloquadratum Haloarcula

Applicazioni (potenziali) alofili (archebatteri) • Batterio-rodopsina per membrane artificiali per la produzione di corrente elettrica dalla luce solare • Produzione di bioplastiche (poliidrossialcanoati PHA) in condizioni ipersaline (basso rischio di contaminazione) • Produzione di esopolisaccaridi (emulsionanti, surfrattanti, sigillanti) • Liposomi con fosfolipidi da archebatteri: legami etere invece che estere = maggiore resistenza alla degradazione • Aloenzimi attivi a bassa attività dell’acqua • Osmoliti (stabilizzanti delle proteine) • Produzione di biomasse in ambienti ipersalini (Dunaliella) Poli idrossi-alcanoati Polidrossibutirrato R=CH 3 Poliidrossivalerato R=CH 2 CH 3 Dunaliella: alimento iperproteico per animali

BR+trans-retinale hν (550 nm) ↓ BR+13 cis-retinale ADP+P H+in ATP H+out BR+trans-retinale Batteriorodopsina (BR) It is the retinal molecule that changes its conformation when absorbing a photon, resulting in a conformational change of the surrounding protein and the proton pumping action. [3] It is covalently linked to Lys 216 in the chromophore by Schiff base action. After photoisomerization of the retinal molecule, Asp 85 becomes a proton acceptor of the donor proton from the retinal molecule. This releases a proton from a "holding site" into the extracellular side (EC) of the membrane. Reprotonation of the retinal molecule by Asp 96 restores its original isomerized form. This results in a second proton being released to the EC side. Asp 85 releases its proton into the "holding site, " where a new cycle may begin.

Batteri alcalofili Adattati a p. H>9 • Ambienti antropici (Industrie del cemento, carta e alimenti) • Ambienti naturali • Sorgenti iperalcaline (Sali di calcio) • Laghi inariditi/deserti (Carbonato di sodio); alo-alcalofili Microganismi: • Eubatteri aerobi sporigeni (Bacillus) • Eubatteri non sporigeni (Cellulomonas, Halomonas, Bogoriella etc) • Archebatteri alo-alcalofili (Natronobacterium, Natronorubrum, Natrialba) Halomonas Natrialba

Batteri acidofili Si trovano principalmente in due tipi di ambienti: • Zone vulcaniche sulfuree dove si produce acidità dall’ossidazione microbica dello zolfo (Sulfolobus): S 0 + 3/2 O 2 + H 2 O → H 2 SO 4 • Zone minerarie dove i batteri ossidano i minerali ferrosi (batteri ferro-ossidanti acidofili): 4 Fe. S 2 + 14 H 2 O + 15 O 2 → 4 Fe(OH)3 + 8 H 2 SO 4 I batteri ferro-ossidanti sono principalmente bacilli o vibrioni con p. H ottimale 2 -2, 5, mobili e non sporigeni: Acidithiobacillus, Leptospirillum, Ferrimicrobium, Sulfobacillus, Acidimicrobium Leptospirillum Sulfobacillus

Batteri piezofili (barofili) Batteri adattati a pressioni (idrostatiche ) elevate Oceani = 70% biosfera, con profondità > 1000 m: • Elevate pressioni (fino a 1000 atm) • Bassa temperatura (1 -2°C) • No luce • Pochi nutrienti (C organico) Grotte e cavità sottomarine anossiche, blue holes • Scarso scambio di acqua • Accumulo di H 2 S • Condizioni chimico-fisiche stabili Sorgenti idrotermali abissali = condizioni ambientali completamente differenti: • Elevate pressioni • Elevate temperature (batteri ipertermofili: T ottimale = 90 -100°C) • No luce • No ossigeno (batteri anaerobi) • No antropizzazione

Molti microrganismi presenti, inclusi molti Archea (Pyrodictium, Pyrococcus, Pyrolobus, Thermococcus, Methanococcus) Ipotesi di studio sull’origine della vita: organicazione (riduzione) della CO 2 da batteri viola anaerobi ferro-ossidanti (Fe II → Fe III) Record degli Archea: • Massima temperatura di crescita = 113°C, Pyrolobus fumarii • Più piccola cellula vivente: diametro 0, 4 μm genoma 480 kb, Nanoarchaeum equitans, simbionte obbligato (parassita? ) di Ignicoccus equitans Pyrolobus fumarii Methanococcus jannaschii Nanoarchaeum equitans