L’ECOLOGIA MICROBICA

L’ECOLOGIA MICROBICA è la disciplina che studia i microrganismi e le interazioni che intercorrono tra questi e i loro ambienti specifici.

La MICROBIOLOGIA AMBIENTALE è il settore della microbiologia generale che studia i microrganismi presenti nei vari ambienti naturali(suolo,acque e atmosfera),le funzioni svolte, le tecniche per il loro isolamento ed identificazione e le possibili applicazioni biotecnologiche.

ECOLOGIA: termine coniato da Eaeckel e definisce i rapporti che intercorrono tra le forme di vita e le loro interazioni con l’ambiente.

AMBIENTE: si intende il complesso delle condizioni esterne (fisico – chimiche e biologiche), che circondano ed influenzano un organismo o una popolazione di organismi, è cioè il luogo naturale dove un organismo vive e svolge le sue funzioni. Negli ambienti gli esseri viventi svolgono 2attività principali:

§                     La sintesi di nuove sostanze organiche a partire dalla CO₂ e da altri composti inorganici;

§                     La decomposizione delle sostanze organiche accumulate.

La Terra può essere divisa in tre ambienti:

1.                  ATMOSFERA: comprendente la regione gassosa che circonda il pianete;

2.                  IDROSFERA: l’insieme di tutte le acque della terra (oceani,laghi,mari,fiumi)

3.                  LITOSFERA: costituita dalle rocce e dal terreno.

L’habitat microbico ideale è il terreno costituito da particelle derivate dalla disgregazione di materiali rocciosi, come ghiaia e sabbia. Queste particelle favoriscono la formazione di uno strato di umidità, di materiali organici e di microbi.

Un altro habitat ideale è l’acqua, soprattutto quella marina e quella dolce, per due motivi:

§                    La temperatura è più costante rispetto all’ambiente terreno;

§                    I raggi solari possono attraversarla, consentendo la fotosintesi al di sotto della superficie. Queste acque sono inoltre ricche di principi nutritivi che sono i prodotti di decomposizione organica.

La BIOSFERA è l’insieme di tutte le regioni terrestri abitate da organismi viventi; ne fanno parte gli oceani (fino a 8000m), le terre emerse (fino a 250m sotto il suolo), i fiumi e la parte inferiore dell’atmosfera (fino a 10000m).

Nella biosfera esistono fattori viventi e non viventi, in grado di delimitare l’habitat di un organismo. Sono fattori BIOTICI gli animali, le piante e i microbi in grado di competere o interferire con un certo organismo, mentre sono fattori ABIOTICI i fattori fisici e chimici come la temperatura, il pH, la pressione osmotica e la pressione idrostatica.

La BIOSFERA è costituita da complessi ecologici, chiamati ECOSISTEMI, le cui POPOLAZIONI sono formate da organismi simili tra loro e viventi nello stesso ambiente. Sono definite COMUNITà i diversi tipi di popolazioni che interagiscono tra loro, mentre il rapporto tra comunità ed il suo ambiente è detto ECOSISTEMA. L’ecosistema è quindi composto da una comunità di organismi e dal loro ambiente fisico – chimico che ne favorisce la vita, funzionanti come comunità ecologica.

Sono presenti tre categorie di organismi viventi:

1.                  PRODUTTORI: AUTOTROFI

2.                  CONSUMATORI: ETEROTROFI

3.                  DECOMPOSITORI: ETEROTROFI

Questi si distinguono in:

§                    AUTOTROFI: sono organismi fotosintetici, come alghe, cianobatteri, in gran parte vegetale, che sono in grado di sintetizzare sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche. Essi sono i produttori.

§                    ETEROTROFI: sono gli organismi consumatori, come animali, microbi, protozoi, incapaci di produrre sostanze organiche. Anche i decompositori, come i batteri e i funghi, sono eterotrofi e decompongono le macromolecole organiche e i residui  di animali o piante in composti più semplici o in sostanze inorganiche, che possono essere impiegate dalle piante per la loro crescita.

Questi organismi formano la catena alimentare. Se l’habitat è l’ambiente specifico dell’organismo, la NICCHIA è il suo ruolo peculiare nella comunità. La CONCORRENZA VITALE è la lotta che si instaura fra organismi per l’occupazione di una nicchia ecologica, che comporterà la sopravvivenza di una sola specie.

ORGANISMI FOTOSINTETICI PRODUTTORI: sono procarioti (cianobatteri e solfobatteri) ed eucarioti (piante superiori, alghe verdi, dinoflagellati e diatomee). Attraverso la trasformazione dell’energia solare vengono prelevati dall’ambiente molti composti inorganici contenenti N, O, C, S e P. Questi sono i CONSUMATORI PRIMARI. Questi elementi verranno poi accumulati nei costituenti organici della cellule e dei tessuti; resteranno incorporati per una parte allo stato organico.

I consumatori primari costituiscono una fonte alimentare per i consumatori secondari e così via, fino a formare la catena alimentare. La trasformazione di sostanze organiche in inorganiche è detta  MINERALIZZAZIONE in gran parte attuata in natura attraverso la decomposizione di animali e vegetali morti e dei prodotti di rifiuto degli animali. Il più importante agente della mineralizzazione è la MICROFLORA TELLURICA costituita da MICRORGANISMI DECOMPOSITORI come batteri e funghi non fotosintetici.

Viene detto MICROAMBIENTE il luogo piccolo dove in microrganismo vive. In natura i fattori ambientali influenzano la crescita microbica molto più che in cultura. I parametri che influenzano sono:

§                     Umidità: i batteri e gli altri microbi hanno bisogno di un alto tasso di umidità, anche se possono resistere all’essiccamento.

§                     Temperatura: Mesofili à 20/45°C; Termofili à 45/75°C; Psicrofili à max m30°C.

§                     Pressione: la Pressione ambientale può modificare il volume molecolare.

§                     Pressione Osmotica: le conc. di NaCl molto elevate sono incompatibili con la vita dei m.o.

§                     Concentrazione salina: i batteri stanno bene a 0,9%di NaCl. Alcuni batteri, gli ALOFILI, stanno bene a conc. Elevate di Sali fino ad un max di 15/25%NaCl.

§                     pH: à deve essere tra 4 e 9

§                     Nutrienti: fattore fondamentale che condiziona la crescita microbica.

METODI DI STUDIO IN AMBIENTE MICROBICO

Sono 2 i temi principali della ecologia microbica:

1.                  l’isolamento, l’identificazione e l’analisi quantitativa dei m.o. nei vari habitat;

2.                  lo studio e la misurazione delle attività microbiche negli ambienti naturali.

1. Il sistema più semplice adottato il laboratorio pericolare e coltivare m.o. da un ambiente naturale è la tecnica delle culture di arricchimento;

CULTURA SU AGAR – PIASTRA: Si aggiunge ad una serie di provettoni contenente terreno agarizzato fuso e raffreddato le diluizioni del campione; poi il ,contenuto dei provettoni si mette in piastra Petri.

COLTURE DI ARRICCHIMENTO: è finalizzata a potenziare la crescita di una particolare tipologia di m.o., che si svilupperà più degli altri presenti nell’inoculo.

COLONNA DI WINOGRADSKY: viene utilizzato per ottenere ed isolare batteri fototrofi rossi e verdi oltre ad i batteri anaerobi. Si riproduce in laboratorio un ecosistema anaerobio in miniatura. Si prende un cilindro, lo si riempie con 1/3di fango ricco di sost. Organiche e substrati carboniosi (ottenibili aggiungendo segatura, uova bollite, paglia…), si aggiunge una fonte di S (CaSO₄) e un tampone (CaCO₃). Al di sopra viene introdotto fango privo di altre sostanze e alla fine, la colonna è viene riempita con acqua di lago, fiume, coperta da stagnola ed esposta a luce moderata per 3-5settimane.

COLTURA PURA: si effettua uno striscio in piastra partendo da una colonia ben isolata.

IDENTIFICAZIUONE QUANTITATIVA

ESAME MICROSCOPICO DIRETTO.

IL RUOLO DEI MICRORGANISMI NEI CICLI BIOGEOCHIMICI

I m.o. risultano centrali nei processi di trasformazione degli elementi indispensabili alla vita (N,C,S,O,P)che si compiono continuamente nella biosfera. Tale funzione si deve ai M.O. FOTOSINTETICI che, comportandosi da produttori, trasformano le sostanze inorganiche in sostanze organiche e ai M.O. DECOMPOSITORI che ritrasformano le sostanze inorganiche in sostanze organiche. In sintesi risultano determinanti per il mantenimento costante nel tempo della biosfera, in quanto sono all’inizio ed alla fine dei processi ciclici che vedono nelle tappe intermedie organismi consumatori come gli animali.

la comunità microbica è però fondamentale nelle reazioni chimiche che ciclizzano e trasformano le sostanze nutritive necessarie ai microbi, agli animali ed alle piante: basti pensare che per molti elementi i m.o. sono i soli agenti biologici in grado di rigenerare materie utilizzabili da altri organismi, le piante in particolare.

Nei cicli si verificano reazioni REDOX e possibili cambiamenti delle caratteristiche chimico – fisiche dei nutrienti.

CICLO DEL CARBONIO

Questo ciclo consiste nella fissazione  e nella rigenerazione della CO₂. il CARBONIO è presente come CH₄ e la materia organica è in forme ossidate come la CO e la CO₂. La CO₂ è presente nell’aria e viene utilizzata dagli organismi fotosintetici  per la produzione di sost. Organiche. Il  ciclo del Carbonio costituisce il meccanismo con cui l’energia solare viene immagazzinata dalla biosfera per essere poi utilizzata. Il PROCESSO DI FISSAZIONE DI CO₂ consiste nella conversione di essa in composti organici e può avvenire attraverso i processi foto e che mio autotrofi. La reazione di fotosintesi è fatta da piante verdi e da m.o. acquatici (cianobatteri, alghe verdi, batteri forosintetici come CHROMATIUM o il CHLOROBIUM). Fotosintesi: CO₂ + H2O --luceà O2 + calore + zuccheri.

I consumatori utilizzano gli zuccheri per la respirazione o la fermentazione, per produrre energia e CO₂ che quindi tornano come prima. Altro meccanismo di ritorno di CO₂ nell’0ambiente è la combustione delle foreste e di fossili combustibili. Poi, alcuni batteri, ossidano i resti animali e vegetali à CO₂ e calore. Questa è la RIGENERAZIONE DELLA CO₂ .

Una piccola parte di CO₂ può disciogliersi nelle acque o essere intrappolata nei ghiacci, oppure formare ioni che reagiscono con ioni Ca e formano roccia calcarea.nel ciclo influiscono sia i riducenti, come l’H, sia gli ossidanti come l’O₂ . l’Hpuò essere prodotto per la degradazione dell’organico, soprattutto in anaerobiosi. Se si forma H e CH4 questi possono muoversi nelle zone anaerobiche permettendo ai loro ossidatori biologici di funzionare.