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.

La nutrizione 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

NUTRIENTE: composto usato per la biosintesi e produzione di energia cellulare e, quindi, essenziale per la crescita microbica

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

14°- Nutrizione, 1

Richiesta di Carbonio, Ossigeno*, Idrogeno ed elettroni

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 energiaAUTOTROFI: 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

La cellula soddisfa questa richiesta simultaneamente con due modalità metaboliche fondamentali che sono alla base della distinzione di DUE TIPI NUTRIZIONALI

Richiesta di AzotoTutti 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

Richiesta di Fosforo

Richiesta di Zolfo

Tutti i composti organici essenziali che l’organismo non è in grado di sintetizzare

autonomamente. Rientrano in tre categorie: 1. 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.

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.

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

14°- Nutrizione, 3

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)

PRINCIPALI TIPI NUTRIZIONALI

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.

14°- Nutrizione, 4

1. FOTOTROFI: la fonte di energia esogena è la luce solare

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+.

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

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).

Sono i più numerosi fra i fototrofi

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

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

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+

2. CHEMIOTROFI : i composti chimici sono la fonte di energia esogena

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)

Sono i microrganismi più studiati Comprendono tutti i patogeni noti (ad oggi) Sono facilmente coltivabili in laboratorio

Utilizzano composti organici ridotti come fonte di C, di energia,di e- e di H+.

14°- Nutrizione, 6

Sono microrganismi importanti ecologicamenteI 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

COLONNA DI WINOGRADSKYCOLONNA DI WINOGRADSKYColture 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 colonnaIl fango viene compresso per eliminare bolle di aria e viene esposto alla luce (esposizione verso Nord)

12345

STRATO 5 (NERO). I l f ondo della colonna è anerobio. I batteri presenti utilizzano laf onte organica di C (respirazione anaerobica e f ermentazione) con produzione di acidiorganici ed alcoli, nonché idrogeno. I solf ati vengono ridotti a solf uri ed il f ondo dellacolonna diventa nero per la precipitazione di solf uri metallici.

STRATO 4 (VERDE). I n questo strato possono crescere solf obatteri verdi tolleranti ilsolf uro di idrogeno. Utilizzano i composti organici prodotti nello strato 5.

STRATO 3 (ROSSO). I n questo strato si localizzano i solf obatteri porporni, che sono meno tolleranti ai solf uri di idrogeno.

STRATO 2. I n questo strato si localizzano batteri non-solf urei che tollerano modiche quantità di ossigeno.

STRATO 1 (ACQUOSO ). I n questo strato si localizzano i cianobatteri e alcune microalghe, che sono aerobie.Tutti i batteri che si sono sviluppati nella colonna sono f otosintetici, ma solamente inquesto strato vengono isolati microrganismi aerobi che attuano una f otosintesiossinogenica. Batteri anaerobi possono essere isolati lungo tutta la colonna così comealcuni batteri solf o-ossidanti negli strati superiori della colonna. LA COLONNA DI WI NOGRADSKY E’ UN SI STEMA RELATI VAMENTE SEMPLI CEPER L’I SOLAMENTO DI BATTERI AMB I ENTALI TRAMI TE COLTURE “POVERE”

O2

H2S

Dopo alcune settimane si osserva….14°- Nutrizione, 7

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.

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STRATO 5 (NERO). I l f ondo della colonna è anerobio. I batteri presenti utilizzano laf onte organica di C (respirazione anaerobica e f ermentazione) con produzione di acidiorganici ed alcoli, nonché idrogeno. I solf ati vengono ridotti a solf uri ed il f ondo dellacolonna diventa nero per la precipitazione di solf uri metallici.

STRATO 4 (VERDE). I n questo strato possono crescere solf obatteri verdi tolleranti ilsolf uro di idrogeno. Utilizzano i composti organici prodotti nello strato 5.

STRATO 3 (ROSSO). I n questo strato si localizzano i solf obatteri porporni, che sono meno tolleranti ai solf uri di idrogeno.

STRATO 2. I n questo strato si localizzano batteri non-solf urei che tollerano modiche quantità di ossigeno.

STRATO 1 (ACQUOSO ). I n questo strato si localizzano i cianobatteri e alcune microalghe, che sono aerobie.Tutti i batteri che si sono sviluppati nella colonna sono f otosintetici, ma solamente inquesto strato vengono isolati microrganismi aerobi che attuano una f otosintesiossinogenica. Batteri anaerobi possono essere isolati lungo tutta la colonna così comealcuni batteri solf o-ossidanti negli strati superiori della colonna. LA COLONNA DI WI NOGRADSKY E’ UN SI STEMA RELATI VAMENTE SEMPLI CEPER L’I SOLAMENTO DI BATTERI AMB I ENTALI TRAMI TE COLTURE “POVERE”

O2

H2S

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

STRATO 3 (ROSSO): Arricchimento in solfobatteri porporini, poco tolleranti ai solfuri di idrogeno