LEZIONE 16 - Metabolismo Microbico_chemiolitotrofi

Metabolismo microbico

Respirazione aerobica di composti inorganici

SUBSTRATO OSSIDABILE

(donatore di e-)

NADH (NADPH)

ACCETTORE DI e-

Generazione di ATP

METABOLISMO

(reazioni cataboliche)

MOO

3. COMPOSTI INORGANICI (H2, H2S, S, NH3, Fe2+, CO)

si

O2 FOSFORILAZ OSSIDATIVA

RESPIRAZIONE AEROBICA

Chemiolitotrofi aerobi (autotrofi)

RESPIRAZIONE AEROBICA DI COMPOSTI INORGANICI

Winogradsky (1856-1953)

- scopre solfobatteri e introduce concetto di autotrofia e

chemiolitotrofia

BATTERI CHEMIOLITOTROFI

CARATTERI COMUNI:

1. ampiamente diffusi, ma n° specie non elevato

6. possono crescere in terreni esclusivamente minerali

2. non necessitano di luce

3. ricavano energia e potere riducente da respirazione di substrato inorganico

4. alta specificità per il substrato inorganico ossidato

5. autotrofi (quasi tutti), in grado di fix CO2 generalmente tramite ciclo di Calvin

8. accettore di elettroni: O2, ma in alcuni casi anche solfati e nitrati

9. metabolismo dalla bassa resa energetica

7. frequentemente incapaci di utilizzare composti organici

BATTERI CHEMIOLITOTROFI

Origine evolutiva?

Ruolo chiave nei cicli biogeochimici

Possibili applicazioni biotecnologiche

GRUPPI MICROBICI SUBSTRATO OSSIDABILE

PRODOTTO OSSIDATO

ACCETTORE

DI e-

Batteri ammonio ox

nitrificanti nitrito ox

NH4+

NO2-

NO2-

NO3-

O2

O2

Solfobatteri incolori H2S, S0, S2O3- SO4

2- O2

(a volte NO3-)

Ferrobatteri Fe2+ Fe3+

O2

Idrogenobatteri H2

H2O O2

(a volte NO3-)

Carbossidobatteri CO CO2 O2

BATTERI CHEMIOLITOTROFI AEROBI Tabella dei substrati ossidabili

BATTERI NITRIFICANTI

Attività combinata: completa conversione di ammonio a nitrato

AMMONIO OSSIDANTI es: Nitrosomonas

Nitrosomonas

NITRITO OSSIDANTI es: Nitrobacter

Nitrobacter

BATTERI NITRIFICANTI

CARATTERISTICHE:

1. ampiamente diffusi in suolo e acque

2. spesso chemioautotrofi, ma possono usare composti organici

3. pH fisiologico: neutro o alcalino, ma nitrito acidifica vivono in terreni dove tale acidità viene tamponata

4. membrana cellulare presenta vistose invaginazioni per aumentare superficie respiratoria e aiutare crescita molto lenta

5. accettore di e-: sempre O2 (esclusa eccezione)

6. generazione di potere riducente attraverso trasporto inverso di elettroni

BATTERI NITRIFICANTI

Circa 35 moli di NH4+/100 moli di NO2- per generare E per fix 1 mole CO2

E’0 NO2-/NH3 +0,34V

E’0 NO3-/NO2- +0,43V

E’0 1/2O2/H2O +0,82

BATTERI NITRIFICANTI AMMONIO OSSIDANTI

NH4+ + O2 + 2H+ NH3OH+ + H2O

(NOH)

NO2- +2H+

MONOSSIGENASI (AMO)

P450 rid P450 ox

2e- / 3H+

IDROSSILAMINA OSSIDOREDUTTASI (HAO)

P450 rid

P450 ox

H2O

2e-

Idrossilamina: inibitore attività citocromo c ossidasica

BATTERI NITRIFICANTI AMMONIO OSSIDANTI

BATTERI NITRIFICANTI NITRITO OSSIDANTI

NO2- + H2O

2e-

NO3- + 2H+

NITRITO OSSIDOREDUTTASI

Livello energetico di ingresso

degli elettroni nella catena di trasporto

TRASPORTO INVERSO DI ELETTRONI

ANAMMOX: OSSIDAZIONE DELL’AMMONIACA IN ANAEROBIOSI

Processo scoperto nel 2000, ma prima che scoperto immaginato, quando si è cominciato a dubitare che ammoniaca fosse davvero stabile in anaerobiosi

Es: Brocardia anammoxidans (Planctomyces)

Planctomyces bekefi,

showing the external fibrous stalk, fimbriae, crateriform pits, etc.

Processo altamente esoergonico. Alcune stime dicono che circa il

50% di azoto nell'atmosfera è forgiato da questo processo.

NH4+ + NO2

- N2 + 2H2O

e-

ANAMMOX: OSSIDAZIONE DELL’AMMONIACA IN ANAEROBIOSI

Vivono in comunità con batteri nitrificanti aerobi, le diverse concentrazioni di ossigeno determinano l’uno o l’altro metabolismo

Possiedono capacità di fix CO2 ma non sembrano possedere enzimi del ciclo di Calvin

ANAMMOX: OSSIDAZIONE DELL’AMMONIACA IN ANAEROBIOSI

Anammox means:

1."anaerobic ammonium oxidation"

2.a spectacular microbial way of life.

3.the largest single source of dinitrogen gas on Earth.

4.the slowest bacterium in culture (see picture to the

right).

5.a new low-cost method for N-removal in wastewater

treatment (90% of operational costs savings and CO2

emission cuts, compared to conventional

nitrification/denitrification at lower investment costs).

6.NH4+ + NO2

- = N2 + 2H2O

7.a one billion-base-pair metagenome (so far the

second largest after the Sargasso Sea)

8.At least three genera of bacteria: Brocadia

anammoxidans, Kuenenia stuttgartiensis and Scalindua

sorokinii.

9.At least three patents

Anammox reactor at the Department of Microbiology, Radboud University Nijmegen

ANAMMOX: OSSIDAZIONE DELL’AMMONIACA IN ANAEROBIOSI

2002: Rotterdam, the Netherlands. Primo reattore anammox operativo. Rimuove >500 kg N/day. 2012: 11 nuovi impianti di stessa concezione.

ANAMMOX: OSSIDAZIONE DELL’AMMONIACA IN ANAEROBIOSI

SOLFOBATTERI (incolori)

CARATTERISTICHE:

1. Di grandi dimensioni, possono accumulare zolfo elementare nella cellula

2. Crescita rapida (soprattutto su solfuri) no invaginazioni

3. Estrema acido-tolleranza (adattati a propri prodotti metabolici)

4. Di regola non sono chemioautotrofi obbligati autotrofi eterotrofi mixotrofi

5. Principalmente aerobi (microaerofili), accettore di e-: O2 Alcune specie sono però anaerobiche, accettore di e-: NO3

-

SOLFOBATTERI (incolori)

SOLFOBATTERI (incolori)

Ossidazione diretta

Attivazione attraverso AMP

o ATP o PPi

FERROBATTERI (aerobi)

CARATTERISTICHE:

1. Habitat: stagni, sorgenti di acque dolci con elevato contenuto di sali di Ferro, drenaggi delle miniere di carbone

2. Per moltissimo tempo difficili da isolare e da studiare

3. Estrema acido-tolleranza (anzi sfruttano ambiente acido)

Es:Thiobacillus ferroxidans

FERROBATTERI (aerobi)

CARATTERISTICHE:

4. Ricavano dal proprio metabolismo pochissima energia, ci accorgiamo della loro presenza perché vediamo precipitati di ione ferrico, piuttosto che aumento di biomassa

FERROBATTERI (aerobi)

4Fe2+ + O2 4Fe3+ + 2H2O

Stabile in anaerobiosi, oppure in aerobiosi ma

solo a bassi pH questi batteri vivono

all’interfaccia ox/anox e sono estremamente

acido-tolleranti

FERROBATTERI (aerobi)

IDROGENOBATTERI (aerobi)

CARATTERISTICHE:

1. Nutrizionalmente molto versatili, possono crescere in modalità chemioautotrofa sfruttando ossidazione H2

2. Geni di tale metabolismo spesso su plasmidi ( acquisizione recente), e solitamente repressi da glucosio

3. La maggior parte ha singola idrogenasi di membrana ATP

4. Altri hanno seconda idrogenasi, solubile citoplasmatica, che permette di ricavare direttamente potere riducente

5. accettore di e-: O2

IDROGENOBATTERI (aerobi)

CARBOSSIDOBATTERI

CO + H2O CO2 + 2H+ + 2e-

Diversi batteri possono fare questa reazione, ma solo i carbossidobatteri sono in grado di crescere a spese di questa

Biochimica dell’ossidazione ancora da chiarire