Introduzione ai trattamenti
biologici:
Cenni di microbiologia e
cinetica biologica
Claudio Lubello
Corso Ingegneria Sanitaria
21/12/2015
I microrganismi
21/12/2015
La suddivisione degli esseri viventi:
classificazione filogenetica
MACRORGANISMI
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
21/12/2015
macrorganismi
tutti gli altri sono quelli comunemente indicati come MICRORGANISMI.
Procarioti ed Eucarioti
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.
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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.
21/12/2015
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).
-3
In genere le cellule batteriche sono lunghe da 1 a 10 micrometri (10 mm) 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.
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Alghe verdi-azzurre
Da non confondersi con le alghe. Sono cianobatteri ed
appartengono al dominio dei BACTERIA.
Sono organismi
fotosintetici.
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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
21/12/2015
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.
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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.
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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
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una cellula sono in grado di riprodursi.
Legami chimici ed acqua nei
sistemi viventi
21/12/2015
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
21/12/2015
Anidride carbonica, legame
doppio 704 KJ.
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.
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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.
21/12/2015
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.
21/12/2015
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.
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Struttura e funzioni cellulari negli
organismi eucariotici
21/12/2015
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.
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Membrana citoplasmatica
Fosfolipidi
Esterno
Gruppi
idrofili
Gruppi
idrofobici
Interno
Molecola di
Fosfolipide
Proteine integrate nella
membrana
21/12/2015
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.
21/12/2015
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.
21/12/2015
Riepilogo schematico funzioni della membrana citoplasmatica
21/12/2015
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.
21/12/2015
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).
21/12/2015
Metabolismo microbico
Percorsi metabolici e conseguente
classificazione dei microrganismi
21/12/2015
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, …)
21/12/2015
Fasi metaboliche principali
Idrolisi delle
macromolecole mediante
esoenzimi
Le molecole degradate
vengono trasportate
all’interno della cellula
I metaboliti vengono
trasformati, attraverso una
o più vie metaboliche, in
acido piruvico, metabolita
intermedio universale
Concentrazione
intracellulare delle
molecole attraverso
sistemi di trasporto
21/12/2015
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.
21/12/2015
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.
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.
21/12/2015
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.
21/12/2015
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.
21/12/2015
Enzimi e 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
21/12/2015
dette coenzimi
Funzionamento NAD+
21/12/2015
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.
21/12/2015
ATP
Adenina
Gruppi Fosfato
Adenina
Ribosio
Gruppi Fosfato
Ribosio
Energia rilasciata per il
metaboliemo cellulare
21/12/2015
Schema del ruolo svolto dall’ATP
Reazioni Cataboliche
Generazione di energia libera
ATP
SUBSTRATO
(Fonte di Energia)
Scambio
di energia
ADP
Prodotti metabolici
Reazioni Anaboliche
Consumo di energia libera
Sintesi della biomassa
Idrolisi ATP
ATP+H2O
Fosforilazione ADP ADP+Pi
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ADP+Pi
ATP
Metabolismo di
mantenimento
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
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Nutrienti
Elementi
Funzione
Forma più comune in natura
Carbonio
Principali elementi materiale
cellulare
CO2, composti organici
Azoto
Principali elementi materiale
cellulare
NH4+, NH3, NO3-, N2, composti organici azotati
Idrogeno
Principali elementi materiale
cellulare
H2O, composti organici
Ossigeno
Principali elementi materiale
cellulare
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
Citocromi, cofattore, proteine
Fe2+ o Fe3+ in soluzione o come Sali di Ferro
21/12/2015
Ferro
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.
21/12/2015
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
21/12/2015
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
Chemiorganotrofi
CHEMIOTROFI
Chemiolitotrofi
-
Luce
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FOTOTROFI
Contenuto energetico di alcune famiglie di
composti
Molecole
Energia
Carboidrati
4 calorie per mg
Lipidi
9 calorie per mg
Proteine
4 calorie per mg
Gruppi nutrizionali: riepilogo
Tutti i
microrganismi
Chemiotrofi
Organotrofi
Fototrofi
Litotrofi
Autotrofi
21/12/2015
Autotrofi
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).
21/12/2015
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)
21/12/2015
Condizioni potenziale redox
Fermentazione
Respirazione
anossica
anaerobica
Trasformazione
del Carbonio
C
Substrato
organico
Prodotti di
Substrato
fermentazione
organico
Flusso
interno
di e-
Accettore di
elettroni
Respirazione
aerobica
C
C
Substrato
CO
2
CO
organico
e-
N O 3 -,
SO 4 --,
e-
CO 3 --
O2
Ossido-Riduzioni
interne
POTENZIALE REDOX
molto
negativo
debolmente negativo
o circa zero
21/12/2015
positivo
2
Classificazione di alcuni processi metabolici di
interesse ingegneristico
Tipo
Reazione
Fonte C
Donatore e-
Accettore e-
Prodotti
Aerobico
eterotrofo
Respirazione
Aerobica
Composti
Organici
Composti
Organici
O2
CO2, H2O
Aerobico
autotrorfo
Nitrificazione
CO2
NH4+, NO2-
O2
NO2-, NO3-
Aerobico autotr.
Ossidazione Ferro
CO2
Fe (II)
O2
Fe (III)
Aerobico autotr.
Ossidazione Solfuri
CO2
H2S
O2
SO42-
Facololtativo
Eterototrofo
Denetrificazione
Anossica
Composti
Organici
Composti
Organici
NO2-, NO3-
N2, CO2, H2O
Anaeraerobico
Eterotrofo
Fermentazione
Acida
Composti
Organici
Composti
Organici
Composti
organici
VFA
Anaerobico
Eterotrofo
Riduzione Ferro
Composti
Organici
Composti
Organici
Fe (III)
Fe(II), CO2,
H2O
Anaerobico
Eterotrofo
Riduzione Solfati
Composti
Organici
Composti
Organici
SO42-
H2S, CO2, H2O
Anaerobico
Eterotrofo
21/12/2015
Metanogenesi
Composti
Organici
Acidi Grassi
Volatili (VFA)
CO2
Metano
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.
21/12/2015
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.
21/12/2015
Effetti ambientali sulla crescita
microbica
21/12/2015
Effetto della Temperatura
A titolo di esempio. E.Coli: optimum
39 °C, Max 48°C, Min 8°C.
Velocità di crescita
Le reazioni enzimatiche
avvengono alla massima velocità
possibile
Le reazioni enzimatiche
avvengono a velocità sempre
maggiori
Minimum
Optimum
Maximum
Temperatura
Gelificazione delle membrane
processi di trasporto così lenti
da impedire la crescita
21/12/2015
Denaturazione delle proteine;
collasso della membrana; lisi
termica
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.
21/12/2015
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.
21/12/2015
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).
21/12/2015
Cinetica e stechiometria dei processi
di crescita
21/12/2015
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:
dX
rg 
dt
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:

21/12/2015
1 dX
X dt
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:
rd  
dX
dt
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:
21/12/2015
1 dX
kd  
X dt
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
21/12/2015
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:
rsu  
dS
dt
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:
U 
21/12/2015
1 dS
X dt
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:
rg 
dX
dt
rsu  
dS
dt
dX / dt
dS X
dX 1
Y



essendo 
rsu  dS / dt
dt
Y
dt X
rg
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:
Yobs 
21/12/2015
r 'g
rsu
Esempio di calcolo del fattore di resa mediante
la stechiometria della reazione
Calcoliamo Y nel caso di un substrato noto (p.es. formaldeide CH2O)
8 CH 2 O  3O2  NH3  C5 H7 NO2  3CO2  6 H 2O
substrato


Y 
biomassa
Peso molecolare del substrato CH2O = 30
Massa atomica C = 12 ; N = 14; H = 1; O = 16
Peso molecolare della biomassa C5H7NO2 = 113
Biomassaprodotta
C H NO2
113
 5 7

 0.47 g SSV/ g substrato
Substrato consumato 8 CH2O
8  30
Il fattore di resa può anche essere calcolato come:
gCOD (nella biomassa prodotta) /gCOD (nel substrato degradato)
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Calcolo di Y in termini di COD
• Equivalenza COD/substrato:
8 CH2 O  8O2  8 CO2  8H2O
f COD

8  O2
8  32


 1.06 gCOD / g substrato
8  CH2O 8  30
Equivalenza COD/biomassa:
C5 H 7 NO2  5O2  5CO2  2H 2O  NH3
fX 

5 O2
5  32

 1.42 g CODcell / g biomassa
C5 H7 NO2
113
Pertanto Y: Y  biomassa  0,47
substrato
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gSSV
0,47  1,42
gCOD

 0,63
gsubstrato
1,06
gCOD
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:
S
   max
KS  S
Sostituendo questa espressione nella definizione del fattore di resa si ha:
 max SX
kSX
rsu 
Y
KS  S

KS  S
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
Per S<< Ks  = maxS/Ks
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(cinetica di ordine zero)
(cinetica di ordine uno)
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
21/12/2015 funzione di saturazione.
Effetto della costante di semisaturazione
Andamento rateo di crescita
7
KS = 10
6
KS = 50
Rateo di crescita (1/d)
5
KS = 100
4
3
2
1
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Substrato (mg/l)
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.
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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.
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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:
KI
II 
K I  SI
In cui:
KI è la costante di mezza saturazione della sostanza inibitrice [M/L3]
SI è la concentrazione della sostanza inibitrice [M/L3]
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