Claudio Lubello Corso Ingegneria Sanitaria

Presentazione sul tema: "Claudio Lubello Corso Ingegneria Sanitaria"— Transcript della presentazione:

1 Claudio Lubello Corso Ingegneria Sanitaria
Introduzione ai trattamenti biologici: Cenni di microbiologia e cinetica biologica Claudio Lubello Corso Ingegneria Sanitaria Come abbiamo già descritto introducendo gli ecosistemi un ruolo fondamentale è svolto dai microconsumatori, organismi demolitori che hanno il compito di trasformare composti complessi in elementi semplici riutilizzabili. Questa naturale funzione svolta negli ecosistemi può essere sfruttata all’interno di impianti di trattamento al fine di accelerare la depurazione di sistemi (liquidi o solidi) inquinanti. Per questa ragione in questa lezione introdurremo alcuni concetti generali di microbiologica e di cinetica biologica, che ci serviranno da base per lo studio dei processi di trattamento. 06/04/2017

2 I microrganismi 06/04/2017

3 La suddivisione degli esseri viventi: classificazione filogenetica
MACRORGANISMI Un tempo, agli albori della sistematica naturalistica, i viventi erano divisi nei due soli regni vegetale e animale. Per il naturalista Linneo (XVIII secolo), gli animali si distinguevano dalle piante perché, a differenza di queste, sono esseri viventi dotati di sensibilità. La scoperta dei microrganismi rese non più soddisfacente tale classificazione. La scoperta e l’accumulo di conoscenze sui batteri ha inoltre portato a riconoscere una prima fondamentale divisione tra i viventi in procarioti e eucarioti, di livello molto superiore a quella tra gruppi diversi di eucarioti come gli animali e le piante. Oggi procarioti ed eucarioti vengono per lo più considerati due super-regni (o dominii) distinti. Anzi, secondo molti sistematici, la grande varietà presente all’interno dei procarioti suggerirebbe di suddividere i viventi addirittura in tre dominii, due dei quali corrispondono agli attuali procarioti: Bacteria e Archaea. Pertanto, anche sulla base delle recenti scoperte sul sequenziamento molecolare dell’RNA ha condotto la suddivisione degli esseri viventi sulla terra in tre domini, rappresentati nella figura: BACTERIA, ARCHAEA, EUKARYA. Albero filogenetico della vita come definito dalla comparazione dell’RNA ribosomale. L’albero è costituito da tre domini degli organismi: Bacteria ed Archaea che hanno una cellula di tipo procariotico ed Eukarya, di tipo eucariotico. In rosso sono cerchiati i macrorganismi tutti gli altri sono quelli comunemente indicati come MICRORGANISMI. 06/04/2017

4 Procarioti ed Eucarioti
La scoperta di microrganismi, cioè creature invisibili ad occhio nudo, è legata all’invenzione del microscopio che permise alla fine del ‘600 di individuare e descrivere, attraverso osservazioni pioneristiche, le prime forme viventi microbiche. Tuttavia è solamente nel XiX secolo con l’avvento di più accurati microscopi che si può individuare la vera nascita della microbiologia per gli studi del botanico tedesco Ferdinand Cohn ( ). Un forte impulso allo studio della microbiologia fu sicuramente l’individuazione di una correlazione fra la presenza di microrganismi e lo sviluppo di malattie. Già dal secolo XVI si pensava che qualcosa fosse responsabile delle malattie contagiose (il cosiddetto contagium) e dopo la scoperta dei microrganismi si riteneva che essi nel fossero la causa. Tuttavia dopo alcune prove indirette, fu solo attraverso gli studi di Koch ( ) che si giunse alla dimostrazione di tale intuizione. In questo stesso settore importanti furono i contributi di Pasteur ( ) che demolì, inoltre, la teoria della generazione spontanea secondo la quale i microrganismi si potevano generare spontaneamente da materiale non vivente. Una classificazione dei microrganismi frequentemente utilizzata fa riferimento ad una suddivisione in procarioti ed eucariori; Procariote: cellula con il nucleo non separato dal resto dell’organismo da una membrana ed in cui non sono presenti organelli; Eucariote: cellula con nucleo delimitato da una membrana e, in genere, con altri organelli. Si noti che tutti i microrganismi eucarioti rientrano nel più ampio dominio degli EUKARYA, di cui fanno anche parte gli animali e le piante. Eucariote: organismo costituito da cellule con nucleo ben differenziato e separato dal citoplasma per mezzo di una membrana nucleare. Procariote: organismo unicellulare il cui materiale cellulare non è racchiuso dentro una specifica membrana. Manca la suddivisione della funzione cellulare in specifici organuli. 06/04/2017

5 Cinque regni o tre domini?
I biologi in passato divedevano gli Eucarioti in 4 regni: piante, animali, funghi e i rimanenti microrganismi eucariotici, protisti. Prima dell’era della filogenesi molecolare questi 4 gruppi insieme con tutti i Procarioti costituivano i 5 regni degli organismi viventi. La suddivisione in 3 domini modifica il quadro perché dimostra che gran parte della diversità evolutiva sulla Terra risiede all’interno del mondo microbico. 06/04/2017

6 Batteri I batteri sono organismi procarioti costituiti da una singola cellula. Le cellule batteriche si riproducono per scissione binaria. I batteri possono essere di differente forma: - SFERICA (Cocchi), a BASTONCINO (Bacilli), ELICOIDALE (Spirilli).   In genere le cellule batteriche sono lunghe da 1 a 10 micrometri (10-3mm) e hanno sviluppato gli adattamenti più svariati per ottenere energia e sostanze nutritive. Si trovano in quasi tutti gli ambienti: nell'aria, nel suolo, nell'acqua, nel ghiaccio, nelle sorgenti calde e perfino negli sbocchi idrotermali delle profondità oceaniche. 06/04/2017

7 Alghe verdi-azzurre Da non confondersi con le alghe. Sono cianobatteri ed appartengono al dominio dei BACTERIA. Sono organismi fotosintetici. 06/04/2017

8 Alghe Rientrano fra le alghe numerosi organismi eucariotici che contengono clorofilla e svolgono la fotosintesi. La maggior parte sono microscopiche (quelle di nostro interesse), sono presenti tuttavia organismi macroscopici di dimensione molto elevata. Le alghe contengono clorofilla e si presentano di colore verde, possono assumere colori diversi (marrone o rosso) per la presenza di altri pigmenti. Colonie di Volvox 06/04/2017

9 Protozoi I protozoi sono organismi eterotrofi generalmente unicellulari, sprovvisti di una ben delimitata parete cellulare. La maggior parte è mobile. Possono essere patogeni per l’uomo o per altri animali. 06/04/2017

10 Funghi Sono organismi eterotrofi pluricellulari, caratterizzati dalla presenza di una parete cellulare e dalla produzione di spore. I gruppi di maggiore importanza sono: muffe, lieviti e funghi fruttiferi. Muffe: Sono funghi con struttura filamentosa, caratteristici per le loro efflorescenze polverose di colore bianco-grigio, verdastro, nero. Si riproducono tramite spore che differiscono nella morfologia, nel modo in cui sono prodotte, nel colore. Le loro condizioni ottimali di pH sono di circa 5,6 con intervallo tra 2 e 9. Lieviti: Funghi unicellulari che vivono in habitat liquidi o umidi. 06/04/2017

11 Virus I virus non sono cellule ma particelle composte da acidi nucleici (DNA o RNA) racchiusi in un involucro proteico Il termine virus significa, “veleno” e venne usato per la prima volta per indicare particelle patogene più piccole dei batteri. Essi non possiedono molti degli attributi tipici delle cellule ed, in particolare, sono sistemi dinamici e aperti in grado di assimilare nutrienti ed espellere metaboliti. Sono parassiti intracellulari obbligati e solo quando infettano una cellula sono in grado di riprodursi. 06/04/2017

12 Legami chimici ed acqua nei sistemi viventi
06/04/2017

13 Legami forti Gli elementi chimici presenti negli organismi viventi sono in grado di formare legami chimici forti formando molecole in cui gli elettroni vengono condivisi tra gli atomi: si parla allora di LEGAMI COVALENTI. Tali legami possono essere multipli (doppi, tripli, …) con una forza molto maggiore al crescere del numero. La forza del legame si misura in KJ (energia necessaria per romperlo). Acetilene, legame triplo 805 KJ Anidride carbonica, legame doppio 704 KJ. 06/04/2017

14 Legami deboli: legame a idrogeno
Nelle molecole di interesse biologico si possono trovare legami molto più deboli come il LEGAME A IDROGENO, come per esempio avviene fra le molecole di acqua, contribuendo alla sua nota polarità. 06/04/2017

15 Altri legami deboli VAN DER WAALS: forze attrattive deboli che si manifestano tra atomi che si trovano a distanze inferiori a 3-4 angstrom. Per esempio svolgono una funzione fondamentale nel legame substrato-enzima. INTERAZIONE IDROFOBICHE che si producono perché in un ambiente acquoso le molecole apolari idrorepellenti tendono ad agglomerarsi. 06/04/2017

16 Macromolecole ed acqua
In una cellula microbica l’acqua è il componente principale che funge da solvente all’interno del quale sono disciolte molecole. Infatti molte molecole biologiche sono polari e quindi facilmente solubili in acqua. L’elevata polarità dell’acqua costringe le sostanze non polari ad aggregarsi. Le membrane cellulari per esempio sono costituite da molecole apolari, come i lipidi, che si aggregano impendendo la fuoriuscita della molecole polari. 06/04/2017

17 Alcune macromolecole POLISACCARIDI. Sono polimeri costituiti da zuccheri semplici e sono presenti prevalentemente nella parete cellulare. I polisaccaridi, come il glicoceno, possono fungere da deposito di carbonio ed energia. LIPIDI hanno proprietà idrofobiche e rivestono un ruolo importante nella struttura della membrana e come deposito di carbonio in eccesso. PROTEINE, polimeri di aminoacidi con ruoli strutturali ed enzimatici. DNA e RNA, acidi nucleici, macromolecole costituite da subunità dette nucleotidi. Il DNA contiene le informazioni genetiche delle cellule, l’RNA agisce da intermediario nel convertire tali informazioni in catene aminoacidiche per la formazione delle proteine. 06/04/2017

18 Struttura e funzioni cellulari negli organismi eucariotici
06/04/2017

19 La membrana citoplasmatica
La membrana citoplasmatica è una struttura sottile (8 nm) che circonda completamente la cellula e separa il citoplasma dall’ambiente esterno. E’ una membrana altamente selettiva in quanto permette alla cellula di concentrare al suo interno specifici composti metabolici e di espellere all’esterno sostanze di rifiuto. E’ costituito da un doppio strato fosfolipidico che in soluzione acquosa tendono a formare spontaneamente strutture a doppio strato. La membrana è stabilizzata da legami a idrogeno, da interazione idrofobiche e interazioni ioniche attraverso cationi quali Mg2+ e Ca2+. Negli Archea la membrana è differente ed è costituita da un unico strato. 06/04/2017

20 Membrana citoplasmatica
Esterno Gruppi idrofili Fosfolipidi Gruppi idrofobici Interno Molecola di Fosfolipide Proteine integrate nella membrana 06/04/2017

21 Funzione energetica della membrana
La membrana citoplasmatica è anche sede della conservazione dell’energia cellulare, infatti attraverso la sua superficie si ha la separazione dei ioni idrogeno (protoni) H+ dagli ioni idrossili OH-. Questa separazione è una forma di energia come quella di una pila carica. Lo stato energizzato della membrana (forza proton-motrice) è fondamentale per una serie di funzioni cellulari che richiedono energia. 06/04/2017

22 Funzione delle proteine di trasporto
Le proteine permettono l’accumulo di soluti all’interno della membrana contro un gradiente di concentrazione. Se la diffusione fosse l’unico meccanismo di trasporto questa sarebbe limitata dalla presenza di basse concentrazioni di nutrienti nell’ambiente esterno. Il sistema di trasporto mostra un effetto di saturazione: se infatti la concentrazione esterna è molto elevata questa satura il trasportatore e quindi il tasso di captazione dei nutrienti raggiunto un valore massimo non aumenta ulteriormente. 06/04/2017

23 Riepilogo schematico funzioni della membrana citoplasmatica
06/04/2017

24 Parete cellulare nei procarioti
La concentrazione dei soluti all’interno della cellula sviluppa una notevole pressione che in un batterio può raggiungere le 2 atmosfere. Per sopportare questa pressione i batteri sono provvisti di parete cellulare, che conferisce forma e rigidità. 06/04/2017

25 Inclusioni cellulari Molte cellule eucariotiche sono in grado di formare, al loro interno, inclusioni di varia natura. Usualmente sono composte da alcuni nutrienti presenti in abbondanza nell’ambiente che possono servire da sostanze di riserva in periodi di carenza nutritiva. Si tratta di per esempio: carbonio polimerico (PHB), Polifosfati, Zolfo elementare, Magnetite (Fe3O4). 06/04/2017

26 Metabolismo microbico
Percorsi metabolici e conseguente classificazione dei microrganismi 06/04/2017

27 Il metabolismo dei microrganismi
Metabolismo: insieme della reazioni chimiche, organizzate in sequenze che avvengono un una cellula. Un organismo per potersi riprodurre e funzionare correttamente ha bisogno di: Energia Carbonio Elementi inorganici (nutrienti) Fattori di crescita (amminoacidi, vitamine, basi azoto, …) Un organismo per potersi riprodurre e funzionare correttamente ha bisogno di: Energia; Carbonio per la sintesi di nuovo materiale cellulare; Elementi inorganici (nutrienti) come azoto, fosforo, zolfo, potassio, calcio e magnesio; Fattori di crescita, composti organici necessari, come i micronutrienti, in piccole quantità. Si tratta di vitamine, aminoacidi, purine e pirimidine. I composti che fungono da fonte di carbonio e di energia sono solitamente indicati come substrato. Il loro metabolismo è molto semplice: i nutrienti ed il substrato, vengono assimilati attraverso la membrana cellulare, sono rielaborati all’interno della cellula per ricavarne energia e, attraverso questa, fabbricare altro materiale cellulare, in assenza di substrato esterno utilizzano materiale nutriente di riserva accumulato all’interno della cellula stessa. 06/04/2017

28 Fasi metaboliche principali
Idrolisi delle macromolecole mediante esoenzimi Le molecole degradate vengono trasportate all’interno della cellula Concentrazione intracellulare delle molecole attraverso sistemi di trasporto I metaboliti vengono trasformati, attraverso una o più vie metaboliche, in acido piruvico, metabolita intermedio universale 06/04/2017

29 Anabolismo e Catabolismo
Le attività metaboliche seguono due percorsi metabolici diversi: cammino anabolico (consumo di energia), che è un processo assimilativo che comporta la sintesi dei componenti della cellula (biosintesi), cammino catabolico (rilascio di energia), che è un processo dissimilativo. Le sostanze assunte vengono degradate attraverso una serie di passaggi intermedi fino a prodotti stabili. In questi passaggi si rende disponibile l’energia necessaria per la crescita e il mantenimento. I due processi si completano l’uno con l’altro. 06/04/2017

30 Ossido riduzione Nei sistemi biologici la produzione e la conservazione dell’energia coinvolge reazioni di ossido-riduzione (redox). In queste si ha uno scambio di elettroni tra un elemento donatore che si ossida, ed un elemento accettore che si riduce. Le reazioni redox rispetto ad altre reazioni chimiche, hanno un valore più elevato della resa di energia per mole di reagenti coinvolti. Il metabolismo delle cellule utilizza reazioni chimiche che per questa ragione vengono definite come biochimiche. In biochimica le reazioni di ossido-riduzione coinvolgono spesso non solo di un elettrone ma di un intero atomo di idrogeno, che è costituito da un elettrone più un protone. Ogni reazioni di ossido-riduzione presuppone la presenza di una semireazione di ossidazione ed una semireazione di riduzione, non potendo essere presenti in soluzione elettroni isolati. Nel catabolismo il donatore di elettroni è anche detto fonte di energia. Tale energia è prodotta attraverso al reazione chimica durante la quale il donatore di elettroni viene ossidato. La quantità di energia prodotta dipende anche dalla natura dell’accettore e quindi complessivamente dalla coppia redox coinvolta nella reazione. Nel catabolismo il donatore di elettroni spesso può anche dirsi fonte di energia. In natura esistono molto donatori potenziali di elettroni. Si faccia attenzione che il rilascio di energia avviene attraverso la reazione chimica di ossidazione. 06/04/2017

31 Torre degli elettroni Le coppie redox sono sistemate a partire dai riducenti più forti (potenziale di riduzione negativo) in alto fino agli ossidanti (potenziali di riduzione positivo) in basso. Quando gli elettroni vengono donati dalla cima della torre , posso essere “catturati” dagli accettori ai livelli più bassi, Più in basso cadono gli elettroni maggiore è l’energia che viene rilasciata. 06/04/2017

32 NAD: trasportatore di elettroni
Nella cellula, in una reazione di ossido-riduzione il trasferimento di elettroni dal donatore all’accettore coinvolge uno o più intermediari, i trasportatori. Fra i più importanti trasportatori liberi (cioè non relativi al trasporto di elettroni associati alla membrana) abbiamo i coenzimi nicotidamine adenina dinucleotide (NAD+) e il NAD-fosfato (NADP+). Sono trasportatori di atomi di idrogeno e trasferiscono due atomi di idrogeno al successivo trasportatore della catena. 06/04/2017

33 Enzimi e coenzimi Gli enzimi negli organismi viventi hanno il compito di velocizzare le reazioni biochimiche che, in loro assenza, avverrebbero in tempi lunghi non compatibili con il metabolismo cellulare. Si tratta di macromolecole, spesso di natura proteica, in grado di abbassare l’energia di attivazione delle reazioni catalizzate. Alcuni enzimi per svolgere la loro attività hanno necessità di un composto addizionale, che può essere costituito ioni inorganici o da molecole organiche dette coenzimi. Gli enzimi negli organismi viventi hanno il compito di velocizzare le reazioni biochimiche che, in loro assenza, avverrebbero tempi lunghi, non compatibili con il metabolismo cellulare. Alcuni enzimi per svolgere la loro attività hanno necessità di un composto addizionale, che può essere costituito da ioni inorganici o da molecole organiche dette coenzimi 06/04/2017

34 Funzionamento NAD+ 06/04/2017

35 Produzione di energia: sintesi di ATP
ATP (Adenosintrifosfato): è la molecola che nel metabolismo delle cellule svolge l’importante funzione energetica di accumulare energia fornita dal catabolismo e di fornirla successivamente per le reazioni metaboliche, comportandosi come una sorta di batteria. L’ATP è costituito da un gruppo adenosina e tre gruppi fosfatici. Quando l’ATP perde un gruppo fosfatico, la rottura del legame rilascia una grande quantità di energia e si forma ADP (adenosindifosfato). ATP  ADP + Pi + energia Con un meccanismo di ricarica l’energia fornita dal catabolismo viene accumulata dalla reazione inversa. ADP + Pi + energia  ATP È opportuno evidenziare l’importanza del fosforo che deve essere sempre presente per garantire lo svolgimento delle reazioni metaboliche. L’energia che viene prodotta nelle reazioni di ossido-riduzione deve essere accumulata per la varie funzioni cellulari che richiedono consumo di energia. Nelle cellule tale conservazione avviene attraverso legami fosfati. Il più importante composto fosfato è l’ATP 06/04/2017

36 ATP Adenina Gruppi Fosfato Adenina Gruppi Fosfato Ribosio Ribosio
L’energia che viene prodotta nelle reazioni di ossido-riduzione deve essere accumulata per la varie funzioni cellulari che richiedono consumo di energia. Nelle cellule tale conservazione avviene attraverso legami fosfati. Il più importante composto fosfato è l’ATP Ribosio Energia rilasciata per il metaboliemo cellulare 06/04/2017

37 Schema del ruolo svolto dall’ATP
Reazioni Cataboliche Generazione di energia libera ATP SUBSTRATO (Fonte di Energia) Scambio di energia fosforilazione idrolisi ADP Reazioni Anaboliche Consumo di energia libera Prodotti metabolici Sintesi della biomassa Idrolisi ATP ATP+H2O ADP+Pi Fosforilazione ADP ADP+Pi ATP Metabolismo di mantenimento 06/04/2017

38 Cinetica enzimatica La velocità della reazione globale aumenta proporzionalmente alla concentrazione del substrato e quindi del complesso E-S. Come si può notare dalla figura, questo incremento decresce sino al raggiungimento di un plateau in cui la concentrazione di S è così elevata da mantenere sempre saturo l’enzima; in queste condizioni la velocità di reazione per unità di enzimi (o batteri), V/E, è massima e pari a k. La relazione tra concentrazione di substrato e la velocità è stata studiata da Michaelis- Menten 06/04/2017

39 Nutrienti Elementi Funzione Forma più comune in natura Carbonio Azoto
Principali elementi materiale cellulare CO2, composti organici Azoto NH4+, NH3, NO3-, N2, composti organici azotati Idrogeno H2O, composti organici Ossigeno H2O, O2, composti organici Fosforo Acidi nucleici, nucleotidi, fosfolipidi PO43- Zolfo Costituente aminoacidi H2S, SO42-, comp. organici, metalli solfati Potassio Catione inorganico K + in soluzione o Sali di potassio Magnesio Cofattore, pareti cellulari, membrane, ribosomi Mg2+ in soluzione o Sali di magnesio Sodio Traposto Na+ in soluzione o Sali di sodio Calcio Esoenzimi e pareti cellulari Ca2+ in soluzione o Sali di calcio Ferro Citocromi, cofattore, proteine Fe2+ o Fe3+ in soluzione o come Sali di Ferro Le cellule dei microrganismi sono costituiti prevalentemente da acque e macromolecole. Il processo metabolico deve essere in grado di fornire gli elementi necessari per produzione di tale molecole. Tali elementi sono detti nutrienti. Quelli necessari in quantità maggiori sono detti macronutrienti, quelli richiesti in piccole quantità micronutrienti. Fra i macronutrienti il più importante è indubbiamente il carbonio, che è l’elemento fondamentale per la costituzione dei composti organici cellulari. Dopo il carbonio l’elemento più abbondante è l’azoto. Tali elementi sono presenti in natura sotto diverse forme non tutte utilizzabili dai diversi microrganismi. Fra i micronutrienti, alcuni necessari solo in traccia, abbiamo: cromo, cobalto, rame, selenio, manganese, molibdeno, nichel, tungsteno, zinco, ferro, vanadio. 06/04/2017

40 Classificazione metabolica dei microrganismi
I principali elementi che devono essere considerati per la classificazione dei microrganismi sono: SORGENTE DI CARBONIO: viene convertito in materiale cellulare (protoplasma) DONATORE DI ELETTRONI (SUBSTRATO): alimenta la semireazione di ossidazione e rappresenta la fonte di energia nel cammino catabolico. ACCETTORE DI ELETTRONI: alimenta la semireazione di riduzione nel cammino catabolico. 06/04/2017

41 Fonte di Carbonio Eterotrofi: organismi che utilizzano come fonte il carbonio contenuto nei composti organici Autotrofi: organismi che utilizzano come fonte di carbonio la CO2 06/04/2017

42 Energia Le cellule richiedono energia per le attività di sintesi e di mantenimento. L’energia può essere ottenuta da tre fonti diverse: I microrganismi che utilizzano la luce come sorgente di energia sono detti FOTOTROFI; quelli che invece usano l’energia chimica sono definiti CHEMIOTROFI. Composti chimici organici Composti chimici inorganici Luce Chemiorganotrofi CHEMIOTROFI Chemiolitotrofi FOTOTROFI 06/04/2017

43 Contenuto energetico di alcune famiglie di composti
Molecole Energia Carboidrati 4 calorie per mg Lipidi 9 calorie per mg Proteine

44 Gruppi nutrizionali: riepilogo
Tutti i microrganismi Chemiotrofi Organotrofi Litotrofi Autotrofi Fototrofi 06/04/2017

45 Classificazione in funzione del ruolo dell’ossigeno
I diversi tipi di metabolismo possono essere distinti sulla base delle modalità con le quali viene prodotta l’energia necessaria per le funzioni vitali. In particolare sulla necessità o meno dell’ossigeno come accettore finale delle reazioni di ossido-riduzione. Metabolismo aerobico quando l’ossigeno funge da accettore finale degli elettroni (i microrganismi che sfruttano questo metabolismo sono detti AEROBICI) Metabolismo anaerobico quando viene utilizzato un accettore finale di elettroni diverso dall’ossigeno (i microrganismi sono detti ANAEROBICI). Un caso particolare di metabolismo anaerobico è quello in cui gli accettori finali di elettroni siano i nitriti e/o i nitrati. Si parla in questo caso, NEL LINGUAGGIO INGEGNERISTICO, di Metabolismo anossico (spesso svolto da microrganismi FACOLTATIVI, che cioè in presenza di ossigeno usano questo come accettore ed in sua assenza nitriti e nitrati). 06/04/2017

46 Respirazione e Fermentazione
Respirazione: ossigeno molecolare o altro composto inorganico come accettore di e-. Il substrato organico viene ossidato a CO2. Fermentazione: assenza di un accettore di e- esterno. Vengono utilizzati gli stessi composti organici donatori. In pratica la fermentazione è una reazione di ossido-riduzione equilibrata internamente in cui alcuni atomi della fonte energetica (donatore di elettroni) divengono più ridotti, mentre altri divengono più ossidati. La fermentazione è caratterizzata in termini energetici da una resa inferiore alla respirazione (minore velocità di crescita ed inferiori rendimenti di sintesi) 06/04/2017

47 Condizioni potenziale redox
2 Substrato organico C N O 3 - , S 4 Respirazione anossica aerobica Fermentazione anaerobica Prodotti di fermentazione e POTENZIALE REDOX molto negativo debolmente negativo o circa zero positivo Accettore di elettroni Trasformazione del Carbonio Ossido-Riduzioni interne Flusso interno di e- 06/04/2017

48 Acidi Grassi Volatili (VFA)
Classificazione di alcuni processi metabolici di interesse ingegneristico Tipo Reazione Fonte C Donatore e- Accettore e- Prodotti Aerobico eterotrofo Respirazione Aerobica Composti Organici O2 CO2, H2O Aerobico autotrorfo Nitrificazione CO2 NH4+, NO2- NO2-, NO3- Aerobico autotr. Ossidazione Ferro Fe (II) Fe (III) Ossidazione Solfuri H2S SO42- Facololtativo Eterototrofo Denetrificazione Anossica N2, CO2, H2O Anaeraerobico Eterotrofo Fermentazione Acida Composti organici VFA Anaerobico Eterotrofo Riduzione Ferro Fe(II), CO2, H2O Anaerobico Eterotrofo Riduzione Solfati H2S, CO2, H2O Metanogenesi Acidi Grassi Volatili (VFA) Metano Sulla base di quanto finora introdotto è possibile classificare i microrganismi chemiotrofi in funzione della fonte di carbonio, dell’accettore di e- e del donatore di e-. 06/04/2017

49 Ciclo di crescita di una popolazione batterica
Andamento concentrazione substrato di crescita Curva di crescita di una popolazione coltivata in un reattore batch su un terreno di coltura. 06/04/2017

50 Fasi di crescita FASE DI LATENZA. All’inizio le cellule mancano di una serie di elementi necessari alla crescita, in primo luogo coenzimi, che devono essere risintetizzati. FASE ESPONENZIALE. Ogni cellula si divide per formare due nuove cellule figlie capaci, a loro volta, di duplicarsi e così via. A influenzare la velocità di duplicazione concorrono molti parametri, alcuni genetici, altri ambientali. FASE STAZIONARIA. L’esaurimento di nutrienti del terreno di coltura o l’accumulo di composti di scarto inibitori determina condizioni tali che la crescita di nuove cellule (crescita criptica) sia bilanciata dalla morte di altre. Visibilmente non si ha né aumento, né diminuzione della popolazione batterica. FASE DI MORTE (ENDOGENA). In questa fase prevale la morte della popolazione rispetto allo sviluppo di nuove cellule. Sono frequenti fenomeni di lisi cellulare. 06/04/2017

51 Effetti ambientali sulla crescita microbica
06/04/2017

52 Effetto della Temperatura
A titolo di esempio. E.Coli: optimum 39 °C, Max 48°C, Min 8°C. Le reazioni enzimatiche avvengono alla massima velocità possibile Le reazioni enzimatiche avvengono a velocità sempre maggiori Optimum Velocità di crescita Minimum Maximum Temperatura Gelificazione delle membrane processi di trasporto così lenti da impedire la crescita Denaturazione delle proteine; collasso della membrana; lisi termica 06/04/2017

53 Classificazione dei microrganismi
In funzione della temperatura ottimale di crescita i microrganismi possono essere suddivisi in quattro gruppi principali, indicati nella figura. Gli ipertermofili si trovano in habitat estremamente caldi come le sorgenti termali. 06/04/2017

54 Effetto del pH Ogni organismo cresce all’interno di un intervallo ottimale di pH. Soltanto poche specie riescono a vivere con pH inferiore a 2 o superiore a 10. I funghi sono in generale più acido-tolleranti dei batteri. Il componente in grado di conferire al microrganismo le caratteristiche di acidofilo è la membrana citoplasmatica. In ogni caso il pH all’interno della cellula deve essere prossimo alla neutralità. 06/04/2017

55 Concentrazione dell’ossigeno
Il bisogno, la tolleranza o la sensibilità al’ossigeno molecolare (O2) varia notevolmente fra i microrganismi. Gli Aerobici usano l’ossigeno e ciò potrebbe essere una condizione necessaria (AEROBICI OBBLIGATI). In alcuni casi possono vivere in assenza di ossigeno (FACOLTATIVI) seguendo altri percorsi metabolici. In alcuni casi hanno bisogno di ossigeno ma in concentrazioni molto basse (MICROAEROFILICI). Gli anaerobici non usano l’ossigeno, ma possono tollerarlo (AEROTOLLERANTI) o no (ANAEROBICI OBBLIGATI). 06/04/2017

56 Cinetica e stechiometria dei processi di crescita
06/04/2017

57 Velocità e tasso di crescita
Sia nei reattori batch, che in quelli a flusso continuo la velocità (rateo) di crescita dei batteri può essere definita dalla seguente relazione: in cui rg è la velocità di crescita batterica (massa/unità di volume x tempo) X è la concentrazione di microrganismi (massa/unità di volume)I Facendo riferimento al valore specifico (tasso) rispetto alla concentrazione X della biomassa si introduce il tasso di crescita: 06/04/2017

58 Velocità e tasso di respirazione endogena
L’attività di respirazione endogena corrisponde all’utilizzo come fonte di carbonio ed energia lo stesso materiale cellulare. Tale fase è sempre presente in contemporanea con la crescita cellulare. Diventa l’attività prevalente quando il substrato è esaurito. La velocità (rateo) di respirazione endogena dei batteri è definita dalla seguente reazione: in cui rd è la velocità di respirazione endogena (massa/unità di volume x tempo) Facendo riferimento al valore specifico (tasso) rispetto alla concentrazione X della biomassa si introduce il tasso di respirazione endogena: 06/04/2017

59 Velocità di crescita netta
La velocità di crescita netta è data dalla differenza fra quella di crescita e quella endogena (che comporta un consumo del materiale cellulare). r’g = rg - rd in cui rd è la velocità di respirazione endogena (massa/unità di volume x tempo) Facendo riferimento al valore specifico (tasso) rispetto alla concentrazione X della biomassa si introduce il tasso di crescita netta: ’ =  - kd 06/04/2017

60 Velocità di utilizzazione del substrato
La velocità di utilizzazione del substrato (termine con cui spesso si indica il donatore di elettroni) rappresenta la velocità con cui i batteri utilizzano il substrato: in cui rsu è la velocità di utilizzazione del substrato (massa/unità di volume x tempo) S è la concentrazione del substrato (massa/unità di volume) Facendo riferimento al valore specifico (tasso) rispetto alla concentrazione X della biomassa si introduce il tasso di utilizzazione del substrato: 06/04/2017

61 Fattore di resa (rendimento di crescita)
Una parte del substrato è convertito in prodotti inorganici ed organici finali mentre un’altra parte porta alla formazione di nuove cellule. La successiva relazione mette in relazione il tasso di utilizzazione del substrato (rsu massa/unità di volume x tempo) con rg il tasso di crescita batterico: In cui Y (massa/massa) è il fattore di resa. Tenendo conto che una parte del biomassa viene degradata a causa della respirazione endogena è utile introdurre il fattore di resa osservato Yobs: Per la comprensione del fattore di resa si faccia riferimento al diagramma relativo al trasferimento di energia che abbiamo visto precedentemente per un microrganismo eterotrofo aerobico. La biomassa realmente prodotta (biomassa netta) tiene conto della diminuzione dovuta alla respirazione endogena. 06/04/2017

62 gCOD (nella biomassa prodotta) /gCOD (nel substrato degradato)
Esempio di calcolo del fattore di resa mediante la stechiometria della reazione Calcoliamo Y nel caso di un substrato noto (p.es. formaldeide CH2O) Peso molecolare del substrato CH2O = 30 Peso molecolare della biomassa C5H7NO2 = 113 Massa atomica C = 12 ; N = 14; H = 1; O = 16 Il fattore di resa può anche essere calcolato come: gCOD (nella biomassa prodotta) /gCOD (nel substrato degradato) 06/04/2017

63 Calcolo di Y in termini di COD
Equivalenza COD/substrato: Equivalenza COD/biomassa: Pertanto Y: 06/04/2017

64 Funzione di saturazione per la rappresentazione di crescita e consumo
Una relazione empirica della relazione esistente fra il tasso di crescita della biomassa e la concentrazione di substrato, largamente utilizzata nella pratica, è quella ricavata da Monod derivata dalla cinetica enzimatica di Michelis-Menten: Sostituendo questa espressione nella definizione del fattore di resa si ha: Dove k è il tasso massimo di utilizzazione del substrato, pari a μmax/Y. Ks rappresenta il valore della concentrazione del substrato al quale corrisponde un tasso di crescita pari alla metà del tasso massimo. Si noti che Per S>>Ks  = max (cinetica di ordine zero) Per S<< Ks  = maxS/Ks (cinetica di ordine uno) 06/04/2017

65 Proprietà della cinetica di crescita
Si tratta quindi si una “funzione di saturazione”: al crescere del substrato disponibile la velocità aumenta fino ad uno suo massimo. In presenza di più nutrienti limitanti (p.es Substrato carbonioso e Ossigeno) si ottiene il valore totale della cinetica moltiplicando ciascuna funzione di saturazione. 06/04/2017

66 Effetto della costante di semisaturazione
KS = 10 KS = 50 KS = 100 All’aumentare del substrato disponibile il tasso di crescita aumenta fino ad un valore massimo. Si noti come in presenza di alti valori di Ks il rateo massimo di crescita si ottiene per valori più elevati dalla concentrazione del substrato, mentre con valori bassi di Ks si ottiene già con basse concentrazioni. 06/04/2017

67 Sostanze inibitrici dei processi di crescita
La presenza di sostanze tossiche (composti organici o metalli pesanti) può determinare l’inibizione della crescita microbica. Tale effetto di inibizione si esplica, solitamente, superando una definita soglia di concentrazione nell’acqua in cui sono presenti i microrganismi. Per esempio, nel caso di microrganismi eterotrofi, alcune soglie sono riportate di seguito: Arsenico 0.05 mg/l; Cadmio 1 mg/l; Cromo tot. 10 mg/l; Cromo esa. 1 mg/l; Rame 1 mg/l, Piombo 0.1 mg/l; Mercurio 0.1 mg/l; Nickel 1 mg/l; Zinco 1 mg/l. Nel caso di microrganismi autotrofi nitrificanti le soglie sono inferiori. 06/04/2017

68 Funzioni di inibizione
In presenza di una sostanza inibitrice il suo effetto su una comunità microbica può essere numericamente espresso da una funzione di saturazione (come abbiamo visto per la funzione di crescita introdotta da Monod) che andrà a moltiplicare la cinetica (velocità di crescita o la velocità di consumo del substrato). Una delle funzioni di inibizione più frequentemente utilizzata è la seguente: In cui: KI è la costante di mezza saturazione della sostanza inibitrice [M/L3] SI è la concentrazione della sostanza inibitrice [M/L3] 06/04/2017