LA NUTRIZIONE MICROBICA I microrganismi procariotici si distinguono l’uno dall’altro per il tipo di nutrizione, che rappresenta l’insieme dei processi con cui gli organismi assumono ed utilizzano gli alimenti per ottenere energia e materiali da impiegare nelle sintesi di base (carbonio). Fra Batteri e Archaea le necessità nutrizionali variano da specie a specie. I microrganismi vivono praticamente in ogni nicchia della Terra. I microrganismi possono utilizzare come fonte di nutrienti qualsiasi sostanza contenente carbonio/energia: composti MONOMERICI semplici come gli zuccheri o gli aminoacidi proteine e polisaccaridi complessi composti non associati a cellule viventi (CO, metano, cianuro, acido acetico, glucosio). composti aromatici (benzene) composti di sintesi come i pesticidi.

Con il termine di MINERALIZZAZIONE si intende la capacità dei microrganismi di demolire le molecole organiche in costituenti base (NH4, CO2, SO4-, PO4-). FONTI DI ENERGIA ulteriori: luce e substrati inorganici (idrogeno, solfuri, ferro ridotto e ammoniaca). fonti di carbonio gassoso (CO, CO2, metano, etano, propano, azoto atmosferico (N2)). AUTOTROFI: organismo in grado di biosintetizzare il materiale cellulare utilizzando CO2 come unica fonte di carbonio. ETEROTROFI: organismi che utilizzano substrati organici preformati come fonte principale di carbonio. FOTOTROFI: utilizzano luce come fonte di energia CHEMIOTROFI: ricavano energia dall’ossidazione di composti chimici organici o inorganici

TIPI DI NUTRIZIONE TRA I BATTERI I Batteri possono essere suddivisi in quattro gruppi principali sulla base delle loro fonti di carbonio ed energia. Tutti i microrganismi necessitano di una fonte di carbonio per la sintesi del materiale cellulare, oltre a una fonte di energia che consenta lo svolgimento delle reazioni coinvolte in tale processo di sintesi. FOTOAUTOTROFO: i fotoautotrofi utilizzano la luce come fonte di energia e CO2 come fonte principale di carbonio. Per fotoautotrofo obbligato si intende un organismo che cresce solo in presenza di luce e CO2; inoltre usa sostanze inorganiche quali H2O, H2, o H2S, come donatori di elettroni per ridurre CO2 in carbonio cellulare (CH2O). FOTOETEROTROFO: crescono mediante fotosintesi se dotati di un donatore di elettroni (H2 o organico) per l’assimilazione riduttiva di CO2. Questi microrganismi possono inoltre utilizzare la luce come fonte di energia e contemporaneamente assimilare dall’ambiente composti organici come substrato per la crescita.

CHEMIOAUTOTROFO: i chemioautotrofi utilizzano substrati inorganici ridotti sia per l’assimilazione riduttiva di CO2 sia come fonte di energia; questi microrganismi ricavano l’energia necessaria dalla ossidazione di H2 NH3 NO2- H2S o Fe2+. I chemioautotrofi aerobici utilizzano O2 come accettore terminale di elettroni, mentre alcuni Archaea anaerobici usano lo zolfo inorganico. CHEMIOETEROTROFO: sono microrganismi che assimilano le sostanze organiche come fonte sia di carbonio che di energia; tale fonte può essere rappresentata da un unico substrato (glucosio) oppure vi possono essere fonti differenti di carbonio e di energia. Per esempio i riduttori del solfato utilizzano H2 per ottenere energia ma necessitano di un substrato organico per la biosintesi cellulare.

Le cellule sono costituite principalmente di macromolecole ed acqua ed hanno bisogno di nutrienti per produrre i monomeri che costituiscono le macromolecole. Essi sono le sostanze utilizzate nei processi di biosintesi e nella produzione di energia. Oltre il 95% del peso secco di una cellula microbica è rappresentato da alcuni elementi essenziali: i MACROELEMENTI (o MACRONUTRIENTI) sono richiesti in grande quantità; i MICROELEMENTI (o MICRONUTRIENTI) sono richiesti in quantità minore o addirittura in tracce. MACROELEMENTI: carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, fosforo, zolfo, potassio, magnesio, calcio, sodio, ferro. I primi sei (C,O,H,N,S,P) sono i componenti dei carboidrati, dei lipidi, delle proteine e degli acidi nucleici. MICROELEMENTI: manganese, zinco, cobalto, molibdeno, nickel, rame, selenio, tungsteno, vanadio C,O,H,N,S,P: necessari in grammi; K, Ca, Mg, Fe: necessari in milligrammi; Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu: necessari in microgrammi.

MACROELEMENTI CARBONIO: (50% del peso secco) è l’elemento più abbondante in ogni cellula vivente. Esso rappresenta la struttura portante delle molecole biologiche. La fonte di carbonio per la crescita microbica può variare da CO o CH4 (inorganici) a composti organici complessi (carboidrati, peptidi, acidi organici, acidi grassi) Alcuni microrganismi utilizzano composti organici sintetici (biorisanamento) IDROGENO: svolge numerosi compiti nella vita di Batteri e Archaea. E’ un atomo strutturale delle molecole organiche e partecipa al processo della produzione di energia. Per i microrganismi autotrofo una fonte di idrogeno è essenziale per ridurre CO2 a materiale cellulare (CH2O). I protoni H+ sono coinvolti nella produzione di ATP (ATP sintetasi).

AZOTO: (12% del peso secco) è un costituente integrante degli aminoacidi, dei nucleotidi, dei fosfolipidi e dei componenti della parete cellulare. E’ presente in natura in forma organica e, soprattutto, inorganica. Alcuni Batteri e Archaea ricavano azoto cellulare dalla fissazione di N2 atmosferico. Altri microrganismi assimilano ammoniaca dal loro habitat oppure riducono il nitrato ZOLFO: è un costituente di due degli aminoacidi che formano le proteine: cisteina e metionina. È presente anche in alcune vitamine del gruppo B (biotina e tiamina) e in altri componenti essenziali della cellula. La maggior parte dello zolfo cellulare ha origine da fonti inorganiche sia come solfati (SO42-) sia come solfuri (HS-). FOSFORO: esiste in natura sotto forma di fosfati organici e inorganici; è un costituente dei composti ad alta energia, i fosfolipidi della membrana cellulare e degli acidi nucleici. L’ATP rappresenta il principale sistema di scambio di energia nei processi cellulari

OSSIGENO: il numero complessivo degli atomi di ossigeno come elemento costituente della cellula è equivalente negli aerobi e anaerobi. Tuttavia per gli anaerobi stretti l’ossigeno è tossico. I microrganismi aerobi utilizzano l’ossigeno come accettore terminale di elettroni, attraverso il sistema di trasporto degli elettroni. POTASSIO: è necessario per l’attività di un certo numero di enzimi, inclusi alcuni coinvolti nella sintesi proteica; CALCIO: contribuisce, tra le altre cose, alla termoresistenza delle endospore batteriche; aiuta a stabilizzare la parete cellulare batterica. SODIO: è coinvolto insieme al cloruro nella regolazione della pressione osmotica; interviene sull’attività di alcuni enzimi e nell’assunzione dei soluti in alcune specie dotate di sistemi di trasporto Na+ dipendente.

MAGNESIO: funge da cofattore per molti enzimi, si complessa con l’ATP e stabilizza i ribosomi e le membrane cellulari. Parte integrante della clorofilla. FERRO: svolge una funzione fondamentale soprattutto nella respirazione cellulare, costituisce il centro reattivo delle proteine contenenti l’eme (citocromi, catalasi, ecc) e componente di altre proteine coinvolte nel trasporto degli elettroni. I siderofori sono degli agenti chelanti il ferro che lo solubilizzano e lo trasportano nella cellula (es. idrossamato, enterobactine)

MICROELEMENTI Anche se necessari in ridottissime quantità sono molto importanti per le funzioni cellulari. Sono metalli, molti dei quali svolgono una funzione strutturale in diversi enzimi. Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu, Se, W, V Esempi Cu: citocromo C ossidasi, fotosintesi Co: vitamina B12 Mo: nitrogenasi, nitrato reduttasi Zn: alcol deidrogenasi, RNA e DNA polimerasi, proteine leganti il DNA

I FATTORI DI CRESCITA Sono composti ORGANICI specifici di peso molecolare relativamente basso, la cui presenza è INDISPENSABILE nel terreno di crescita di alcuni microrganismi incapaci di sintetizzare tali sostanze. I fattori di crescita maggiormente richiesti sono: VITAMINE: piccole molecole organiche che in genere formano i coenzimi (parte catalitica non proteica) di alcuni enzimi. AMINOACIDI: le proteine sono composte da 21 alfa aminoacidi. Alcuni Batteri e Archaea non sono in grado di sintetizzare uno o più di tali composti che devono pertanto essere presenti nel terreno di crescita. (Esempio Staphylococcus epidermidis, Lactobacillus). PURINE e PIRIMIDINE: sono le basi nucleiche, sono necessarie per la sintesi degli acidi nucleici.