Biodegradation - "Transformation of a substance into new compounds through biochemical reactions or the actions of microorganisms such as bacteria." - U.S. Geological Survey, 2007 Biodegradation - "A process by which microbial organisms transform or alter (through metabolic or enzymatic action) the structure of chemicals introduced into the environment." - U.S. Environmental Protection Agency, 2009 Biodegradation – “Breakdown of a substance catalyzed by enzymes in vitro or in vivo. This may be characterized for purpose of hazard assessment as: 1. Primary. Alteration of the chemical structure of a substance resulting in loss of a specific property of that substance. 2. Environmentally acceptable. Biodegradation to such an extent as to remove undesirable properties of the compound. This often corresponds to primary biodegradation but it depends on the circumstances under which the products are discharged into the environment. 3. Ultimate. Complete breakdown of a compound to either fully oxidized or reduced simple molecules (such as carbon dioxide/methane, nitrate/ammonium, and water). It should be noted that the products of biodegradation can be more harmful than the substance degraded.” – International Union of Pure and Applied Chemistry, 1993 Biodegradability (or biodegradation potential) - "The relative ease with which chemicals [petroleum hydrocarbons] will degrade as a result of biological metabolism." - U.S. Environmental Protection Agency, 2009 Biodegradation ~ Biotransformation – in genere il primo termine più usato se substrati di partenza sono xenobiotici / inquinanti

Microorganismi: archea (archeobatteri), batteri (eubatteri) ed eucarioti La membrana Classificazione Metabolismo

Eucarioti hanno nucleo e organelli, procarioti no Eucarioti hanno DNA lineare e cromosomi, procarioti hanno DNA circolare

Origine del mitocondrio: Teoria Endosimbiotica

Phylogenetic relationships among mitochondria and alpha -Proteobacteria. A concatenated, aligned data set of amino acid sequences corresponding to respiratory chain proteins apocytochrome b (Cob) and cytochrome oxidase subunits 1 to 3 (Cox1-3) was used in the analysis. Color coding indicates animals (light blue), fungi (purple), stramenopiles (orange), red algae (red), green algae and land plants (green), jakobid flagellates (dark blue), proteobacteria (black)

CELL WALL Gram-positive Gram-negative Gli animali non hanno cell wall. Le piante sì ma di cellulosa

Saggio di Gram L'esame si basa sulla colorazione delle cellule in coltura con un colorante basico (per esempio cristal violetto) e lavaggio. Successivamente il materiale organico viene trattato con una soluzione decolorante (alcool etilico). A questo punto i batteri gram+ hanno trattenuto il colorante basico, mentre i gram- sono grigiastri, privi di colorazione. Per far risaltare meglio la differenza si colora quindi il materiale con un colorante di contrasto. Dopo questo passo finale, i batteri gram+ hanno colore violetto, mentre i gram- hanno color giallo, rosso o arancio.

I micoplasmi sono fra i pochissimi batteri senza cell wall NAM: N-acetylmuramic acid NAG: N-acetylglucosamine I micoplasmi sono fra i pochissimi batteri senza cell wall

Il peptidoglicano è chimicamente diverso fra Gram+ e Gram- La penicillina inibisce la sintesi dei peptidoglicani Nei Gram-negativi vi sono due sequenze direttamente legate: [L-Ala / D-Glu / DAP / D-Ala] lega con il gruppo amminico del DAP il gruppo carbossilico della D-Ala terminale della sequenza [L-Ala / D-Glu / DAP / D-Ala]. Nei Gram-positivi invece due sequenze in parte simili sono collegate da un ponte peptidico, costituito nel caso più semplice da glicine:[ L-Ala / D-Glu/ L-Lys / D-Ala] il ponte si instaura tra la L-Lys e la D-Ala terminale della catena [L-Ala / D-Glu/ L-Lys / D-Ala].

Archea Diversa composizione della membrana cellulare Diversa struttura chimica del cell wall (no acido muramico, no D-aminocidi) Eucarioti Piante, animali, funghi, protisti

La classificazione degli organismi (tassonomia) è gerarchica Dominio Regno Phylum Classe Ordine Famiglia Genere Specie Il moscerino della frutta: Eukarya Animalia Arthropoda Insecta Diptera Drosophilidae Drosophila melanogaster

Classificazione convenzionale: sulla base di alcune caratteristiche Cell shape Cell wall constituents Cell size Energy sources Colonial morphology Fermentation products Ultrastructural characteristics Growth temperature optimum & range Staining behaviour Osmotic tolerance Mechanism of motility Oxygen relationships Cellular inclusions pH optimum & growth range Carbon & nitrogen sources Sensitivity to metabolic inhibitors & antibiotics

Evoluzione delle specie è legata alla tassonomia P.es. Moscerino: Eukarya Animalia Arthropoda Insecta Diptera Drosophilidae Drosophila melanogaster Zanzara: Eukarya Animalia Arthropoda Insecta Diptera Nematocera Aedes aegypti Storia dell’evoluzione

La crescita batterica Nella fase esponenziale N(t)= N0*2n dove n è il numero di generazioni trascorse Quest’equazione può essere usate per esempio per calcolare la velocità di riproduzione

Diluizione 10-2 Conta dei batteri Diluizione 10-6

Fonti di energia Fonti di carbonio Fonti e Accettori di elettroni Tipi nutrizionali Fonti di energia Fonti di carbonio Fonti e Accettori di elettroni

Fonte di Carbonio CO2 Autotrofi Carbonio Organico Eterotrofi FOTOAUTOTROFI CO2 Autotrofi Carbonio Organico Eterotrofi CHEMIOAUTOTROFI cianobatteri streptococchi

Nutritional Types: Major Nutritional Types: Sourges of Energy, Hydrogen/Electrons, Carbon: Representative Microorganisms: Photolithotrophic autotrophy: Light energy Inorganic hydrogen/electron (H/e-) donor CO2 carbon source Algae; purple & green sulphur bacteria; blue-green bacteria (Cyanobacteria) Photoorganotrophic heterotrophy: Light energy Organic (H/e-) donor Organic carbon source (CO2 may also be used) Purple non-sulphur bacteria; green non-sulphur bacteria Chemolithotrophic autotrophy: Chemical energy source (inorganic) Inorganic (H/e-) donor CO2 carbon source Sulphur-oxidizing bacteria; hydrogen bacteria; nitrifying bacteria; iron bacteria Chemoorganotrophic heterotrophy: Chemical energy source (organic) Organic (H/e-) donor Organic carbon source Protozoa; fungi; most nonphotosynthetic bacteria

Metabolismo batterico Donatore di elettroni Composto organico chemioorganotrofi Composto inorganico litotrofi Accettore di elettroni Ossigeno aerobi Altro accettore inorganico anaerobi Intermedio organico fermentanti

Opp. composti inorganici ossidati

Ossigenica e non (anossigenica) Fotosintesi Ossigenica e non (anossigenica)

Utilizzano la luce come fonte di energia Fototrofi Utilizzano la luce come fonte di energia Fotoautotrofi CO2 come fonte di carbonio Fotoeterotrofi usano carbonio organico

Fotoautotrofi A ossidante

5 tipi di batteri fotosintetici batteri purpurei non sulfurei solfobatteri verdi solfobatteri purpurei cianobatteri eliobatteri

Fotosintesi nei batterei verdi sulfurei Batterioclorofilla* Chl a FeS Fd E (V) NADH Chinoni bc1 c553 Batterioclorofilla

Fotosintesi e fissazione della CO2

Fotosintesi nei batterei purpurei Bph NAD(P)H E0(V) Chinoni bc1 c2 P870

Gradiente protonico Luce Batterioclorofille e Bacteriofiofitina del centro di reazione Flusso di protoni Arrangiamento dei complessi proteici nella membrana fotosintetica di un batterio purpureo fotosintetico. Il gradiente protonico generato dalla luce è usato nella sintesi di ATP dalla ATS sintasi. LH, Light-harvesting bacteriochlorophyll complexes; RC, reaction center; Bchl, bacteriochlorophyll; Bph, bacteriopheophytin; Q, quinone; FeS, iron-sulfur protein; bc1, cytochrome bc1 complex; c2, cytochrome c2.

La fotosintesi ossigenica parte dalla acqua e genera O2. I fototrofi ossigenici ottengono la loro energia dalla luce. Sempre la luce fornisce L’energia che consente di ossidare l’acqua a ossigeno e fissare la CO2 producendo carbonio organico. Figure: 17-02b Caption: Energy and reducing power synthesis in (b) oxygenic phototrophs. Oxygenic phototrophs obtain their energy from light (hv) and, in oxygenic phototrophs, light also drives the oxidation of water to oxygen.

Cianobatteri Fotosistema I, PSI, simile a quello dei solfobatteri verdi, Intervallo redox da NADP/NADPH FotosistemaII, PSII. simile a quello dei batteri purpurei non sulfurei. Intervallo redox da H20/O2, fotolisi, attraverso il sistema S, che assorbe 4 cariche positive che estraggono 4 elettroni dall’acqua.

Il NADPH è usato nel Ciclo di Calvin per fissare la CO2 Fotosintesi nelle piante