Cicli della biosfera: ruolo primario dei microrganismi assimilazioni Vegetale* Microbico Animale Materiale inorganico (minerale) A Materiale organico (vivente) mineralizzazioni D B Cicli vitali Le Fasi Critiche sono quelle lente: Colli di bottiglia Ciclo C = degradazione polimeri vegetali Ciclo N = fissazione dell’azoto atmosferico N2 A C Materiale inorganico (fossile, humus) Materiale organico (morto) C trasformazioni * Materiale organico (biomassa vivente) maggioritario Elementi chimici insolubili/gassosi (inorganici, carbonati, CO2) Serbatoio di riserva abiotico: scambi lenti Serbatoio gassoso: C, N Serbatoio sedimentario: P, K, S, Fe … Elementi solubili/assimilabili Sacca di scambio: scambi veloci Trasformazioni microbiche Materiale organico vegetale Assorbimento radicale A

Pool carbonio organico Biomassa: Ciclo del Carbonio CO2 atmosferico Pool carbonio organico fissaggio Biomassa: Materiale vivente Spoglie Secrezioni Humus Materiale fossile Rifiuti respirazione trasformazioni microbiche combustioni Processo di interesse industriale ed ambientale Ciclo del Carbonio  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 39Gt. I flussi hanno un’incertezza di ±20%. ‘GPP’ è la produzione primaria lorda annuale.

Sequenze di trasformazioni operate dai microrganismi Principio della ‘catena alimentare’ nelle trasformazioni biologiche ambientali: Sequenze di trasformazioni operate dai microrganismi Substrato 1 Prodotto 1 Substrato 2 Substrato 3 Prodotto 2 Prodotto 3 Substrato 4 M1 M2 M3 M4 Ruolo degli enzimi nella trasformazione della sostanza organica Polimeri organici Lignine Chitine Cellulose Amidi Proteine etc Enzimi extracellulari Monomeri Trasporto Assimilazione +O2 -O2 CO2 H2O energia Respirazione aerobici Fermentazione anaerobici biomassa CO2 CH4 H2 NH3 alcoli acidi organici poca energia poca biomassa

Organicazione del Carbonio (fase A del ciclo) Effettori: Piante Microrganismi (microalghe e cianobatteri marini) Categorie nutrizionali: Foto-autotrofi (CO2 + 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 (CO2 + redox chimiche → biomassa) energia e redox da H2S, S, Fe2+, H2, NH4 Micro-alghe blu-verdi (cianobatteri)

Metabolismo – Ciclo di Calvin Ribulosio 5P + ATP → Ribulosio 1,5 bisP + ADP Ribulosio 1,5 bisP + CO2 → 2 3P-glicerato 3P-glicerato + ATP → 1,3 bisP glicerato + ADP 1,3 bisP glicerato + NADPH/H+ → gliceraldeide 3P + NADP+ + Pi 5 gliceraldeide 3P → via dei pentosi → 3 Ribulosio 5P 3P glicerato/gliceraldeide 3P → metabolismo centrale ENZIMI: Ribulosio fosfato kinasi (specifico) Ribulosio bis fosfato carbossilasi – RuBisCo – (specifico) Fosfoglicerato kinasi (glicolitico) Gliceraldeide fosfato deidrogenasi (glicolitico) Reazione netta: 3CO2 + 6NADPH/H+ + 5H2O + 9ATP → gliceraldeide 3P + 2H+ + 6NADP+ + 9ADP + 8Pi

Ru 5-P 3-P glicerato 1,3-bisP glicerato gliceraldeide 3-P Ru 1,5-bisP CO2 ATP ADP RuBisCo NADP+ + Pi NADPH/H+ Via dei pentosi kinasi deidrogenasi

Figura 15. 3. 1 - La via ciclica dei pentosi Figura 15.3.1 - La via ciclica dei pentosi. La CO2 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 Residuo insolubile CO2 + biomassa microbica Microrganismi generici presenti t = giorni Polimeri labili 5-30% (amidi, proteine, pectine, emicellulose) Polimeri stabili (lignina max 30%, cellulosa max 60%) Microrganismi specializzati t = mesi humus + biomassa microbica t = anni Bacillus Clostridium Metabolismo dei componenti solubili: zuccheri semplici, acidi organici, alcoli Microrganismi aerobici (Bacillus) → respirazione → CO2 H2O ATP (biomassa) Microrganismi anaerobici (Clostridium) → fermentazione → CO2 acidi alcoli CH4: poco ATP → poca biomassa

Metabolismo dei polimeri ‘labili’ (aggredibili): amido, emicellulosa, pectina, chitina 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

Pectino-metilesterasi (B) Meccanismo di degradazione Pectina grezza Pectina Altri costituenti (cellulosa) + Protopectinasi (A) poligalatturonico metanolo galatturonato Pectino-metilesterasi (B) Galatturonasi (C) 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 CO2) 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 (pH 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 Cellulomonas 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 Ruminococcus ingestione Anaerobi simbionti Composti intermedi non ossidati (acidi, alcoli) Foraggio vegetale Cellulosa Assimilazione alimento

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 CO2 e H2O 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 = 100:10:1:1 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

Fenoli non assimilabili 40% Polimeri vegetali decomposizione Monomeri Biomassa microbica Fenoli non assimilabili 40% 60% Polimerizzazione spontanea + O2 Intrappolamento biomassa microbica Humus Sintesi dell’Humus: 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 pH 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 Funghi 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 Molto difficile Anmoor Suoli forestali con periodi di ristagno d’acqua Variabile <20 Batteri anaerobi Torba acida Palude acida 3,5-4 30-40 Funghi (pochi) Torba calcica Palude calcarea 7-7,5 15-30