La nutrizione microbica NUTRIENTE: composto usato per la biosintesi e produzione di energia cellulare e, quindi, essenziale per la crescita microbica L’analisi della composizione chimica della cellula microbica (batterio od archea) dimostra che gli ELEMENTI che ne costituiscono il suo peso secco sono molto diversificati, ma che il 95% è rappresentato da pochi Elementi presenti in grande quantità; da qui, la distinzione in MACROELEMENTI e MICROELEMENTI MACROELEMENTI o MACRONUTRIENTI: Carbonio, Ossigeno, Idrogeno, Azoto, Zolfo e Fosforo: componenti di carboidrati, lipidi, proteine ed acidi nucleici Potassio, Calcio, Magnesio e Ferro: presenti come cationi MICROELEMENTI o MICRONUTRIENTI: la loro presenza è sufficiente in tracce: Manganese, Zinco, Cobalto, Molibdeno, Nickel e Rame. Questi elementi sono richiesti in basse concentrazioni; la loro presenza nell’ambiente e/o nei terreni di coltura, come contaminanti, è più che sufficiente a non limitare la crescita batterica sia in vitro che in condizioni naturali. 14°- Nutrizione, 1

* Richiesta di Carbonio, Ossigeno*, Idrogeno ed elettroni La cellula soddisfa questa richiesta simultaneamente con due modalità metaboliche fondamentali che sono alla base della distinzione di DUE TIPI NUTRIZIONALI ETEROTROFI: le molecole che vengono utilizzate come fonte di C sono composti organici, (composti ridotti del carbonio, più frequentemente zuccheri e lipidi) che sono anche fonte di ossigeno, idrogeno ed elettroni e costituiscono una fonte di energia AUTOTROFI: la molecola che viene utilizzate come fonte di C è CO2, (o altri composti ossidati del C) che non supplisce alla richiesta di H+ ed elettroni e non costituisce una fonte di energia Richiesta di Azoto Tutti i procarioti possono assimilare azoto come NH4+. Gran parte dei batteri a vita libera ed archea assimila NH4+ dal proprio habitat, mentre in laboratorio viene incluso come fonte di azoto nei “terreni poveri”. L’azoto viene ricavato anche dalla digestione di proteine e dalla deaminazione degli amino acidi. Molti microrganismi, tra cui i cianobatteri, hanno la capacità di fissare N2, tramite sua riduzione ad NH4+, seguita da produzione di glutamina. * Disponibilità di O2 atmosferico: essenziale per gli aerobi, non vincolante per gli anaerobi facoltativi ed aero-tolleranti, tossica per gli anaerobi stretti od obbligati. Questi microrganismi possono crescere in presenza di substrati che siano in uno stato di ossido-riduzione uguale o maggiore a quello dei componenti cellulari. 14°- Nutrizione, 2

Fattori di crescita Richiesta di Fosforo Richiesta di Zolfo Praticamente tutti i microrganismi utilizzano fosfato inorganico come fonte di fosforo. Nei terreni colturali deve essere disponibile in forma di sali di fosfato facilmente assimilabili. E’ componente essenziale degli acidi nucleici, fosfolipidi, nucleotiti e molti componenti cellulari. La limitazione di una fonte di fosfato è frequente causa di limitazione della crescita dei microrganismi acquatici. Alcuni microrganismi suppliscono alla carenza di fosfato defosforilando composti organici fosforilati per azione della fosfatasi alcalina periplasmatica, la cui sintesi è indotta da carenza di fosfato; l’attività dell’enzima produce fosfato inorganico che viene assimilato dalla cellula. Richiesta di Zolfo E’ facilmente assimilabile come sali di zolfo, in quanto tutti i microrganismi sono capaci di ridurre i solfati a solfuri (SH), la forma presente nei composti cellulari. E’ presente in due aminoacidi (metionina e cisteina), in alcune vitamine (biotina e tiamina) e nelle proteine ferro-zolfo, componenti essenziali delle catene di trasporto degli e-. Fattori di crescita Tutti i composti organici essenziali che l’organismo non è in grado di sintetizzare autonomamente. Rientrano in tre categorie: Vitamine, 2. Basi puriniche e pirimidiniche, 3. Aminoacidi I microrganismi auxotrofi sono utilizzati per misurare la concentrazione di un composto in basa alla differenza di crescita tra auxotrofo e prototrofo. 14°- Nutrizione, 3

Flessibilità nutrizionale dei Procarioti I procarioti sono organismi metabolicamente molto diversificati in quanto capaci di utilizzare come nutrienti una straordinaria varietà di composti. Sono gli organismi più numerosi della Biosfera, presenti in tutti gli ambienti terrestri ed acquatici, compresi quelli estremi. Comparsi nell’Archeano, nel corso della loro lunga evoluzione, hanno colonizzato ambienti con “caratteristiche” nutrizionali molto diverse. PRINCIPALI TIPI NUTRIZIONALI Vengono distinti almeno 4 tipi nutrizionali, in base a 3 parametri fondamentali: 1. Fonte di ENERGIA ESOGENA: energia luminosa o di legame di composti chimici, (ossidazione di composti ridotti); 2. Fonte di CARBONIO ASSIMILABILE: CO2 o composti di carbonio organici; 3. Fonte di e- e H+: composti inorganici od organici ridotti; il donatore di H è indispensabile per l’assimilazione riduttiva di C (sia derivato da CO2 che da composti organici) fino a C6 H12O6 (presenti nel rapporto C1H2O1 nella cellula) 14°- Nutrizione, 4

1. FOTOTROFI: la fonte di energia esogena è la luce solare 1a. FOTOLITOROFI (AUTOTROFI FOTOLITOTROFI) Fonte di C: CO2 Fonte di e- e di H+: composti minerali ridotti (H2O, H2S, S, H2) Gli e- ed i H+ vengono utilizzati per l’assimilazione riduttiva di CO2 Sono i più numerosi fra i fototrofi I CIANOBATTERI sono fotosintetici ossinogenici; gli unici ad usare H2O come donatore di e- e di H+ con rilascio di ossigeno I SOLFOBATTERI ROSSI e VERDI ossidano solfuri (H2S) e zolfo elementare (S). I fotoautotrofi OBBLIGATI sono i microrganismi che possono vivere solamente in presenza di luce, CO2 ed acqua o altra fonte minerale di e- e H+. 1b. FOTORGANOTROFI (ETEROTROFI FOTORGANOTROFI) Fonte di C: carbonio organico, ma può essere usata anche CO2 Fonte di e- e di H+: composti organici ridotti (ma anche H2) Gli e- ed i H+ vendono utilizzati per l’assimilazione riduttiva di CO2 I microrganismi appartenenti a questo gruppo sono poco numerosi ma importanti ecologicamente. Comprendono batteri fotosintetici, presenti nelle acque dei laghi e fiumi eutrofizzati. 14°- Nutrizione, 5

2. CHEMIOTROFI : i composti chimici sono la fonte di energia esogena 2a. CHEMIOLITOTROFI (AUTOTROFI CHEMIOLITOTROFI): Fonte di C: CO2 Fonte di energia esogena: composti minerali ridotti (H2S, H2, NH3, NO2, F2+) che vengono utilizzato per l’assimilazione riduttiva di CO2 e come fonte di e- e di H+ Sono microrganismi importanti ecologicamente I chemiolitotrofi contribuiscono alla trasformazione degli elementi negli ecosistemi; ne sono esempi la conversione dell’ammoniaca a nitrato. dello zolfo a solfato; in questo gruppo vanno inclusi i metanogeni (Archea) 2b. CHEMIOLITORGANOTROFI (o MIXOTROFI): pochi, quali Beggiatoa Fonte di C: composti organici ridotti, ma anche CO2 Fonte di energia esogena: composti inorganici Fonte di e- e di H+: gli stessi composti inorganici 2c. CHEMIORGANOTROFI (ETEROTROFI CHEMIORGANOTROFI): Fonte di C: composti organici ridotti Fonte di energia esogena: gli stessi composti organici (la fonte di C) Fonte di e- e di H+: gli stessi composti organici (la fonte di C) Utilizzano composti organici ridotti come fonte di C, di energia,di e- e di H+. Sono i microrganismi più studiati Comprendono tutti i patogeni noti (ad oggi) Sono facilmente coltivabili in laboratorio 14°- Nutrizione, 6

COLONNA DI WINOGRADSKY Colture di arricchimento per isolare microrganismi ambientali con esigenze nutrizionali specifiche Il cilindro viene riempito di fango (2/3) prelevato da uno stagno ricco di sostanze organiche. Il fango viene miscelato con solfato e carbonato di calcio, insieme ad amido, cellulosa (o semplicemente carta da filtro) nella parte inferiore delle colonna Il fango viene compresso per eliminare bolle di aria e viene esposto alla luce (esposizione verso Nord) Dopo alcune settimane si osserva…. 14°- Nutrizione, 7

STRATO 5 (NERO): il fondo del cilindro è anaerobio STRATO 5 (NERO): il fondo del cilindro è anaerobio. I batteri presenti utilizzano la fonte organica di C ( respirazione anaerobica/fermentazione) con produzione di acidi organici, CO2 ed H2. I solfati vengono ridotti a solfuri con formazione di precipitati metallici (solfuri metallici neri) STRATO 4 (VERDE): Arricchimento in solfobatteri verdi tolleranti i solfuri di idrogeno. Utilizzano i composti organici prodotti nello Strato 5. STRATO 3 (ROSSO): Arricchimento in solfobatteri porporini, poco tolleranti ai solfuri di idrogeno STRATO 2. In questo strato si localizzano batteri non sulfurei che tollerano modiche quantità di O2 STRATO 1 (ACQUOSO). Sono presenti Cianobatteri e microalghe aerobie Tutti i batteri isolati nella colonna sono fotosintetici; solamente in 1 sono presenti batteri ossinogenici. Batteri anaerobi vengono isolati negli strati più profondi della colonna, mentre alcuni batteri solfo-ossidanti possono essere isolati negli strati fangosi ossigenati 14°- Nutrizione, 8