7. Introduzione Ai Processi Biologici

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24/02/2010

Introduzione ai

trattamenti biologici:Cenni di microbiologia

e cinetica biologica

Claudio Lubello

Corso Ingegneria Sanitaria



24/02/2010

I microrganismi



24/02/2010

La suddivisione degli esseri viventi:

classificazione filogenetica

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 imacrorganismi tutti gli altri sono quelli comunemente indicati come MICRORGANISMI.

MACRORGANISMI



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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 specificamembrana. Manca la suddivisione della funzione cellulare in specifici organuli.



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Batteri

In genere le cellule batteriche sono lunghe da 1 a 10 micrometri (10-3

mm) e hannosviluppato 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.

I batteri sono organismiprocarioti costituiti da unasingola cellula.

Le cellule batteriche siriproducono per scissionebinaria.

I batteri possono essere didifferente forma:- SFERICA (Cocchi ),- a BASTONCINO (Bacilli ),- ELICOIDALE (Spirilli ).



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Alghe verdi-azzurre

Da non confondersi con le alghe. Sono cianobatteri edappartengono al dominio dei BACTERIA.

Sono organismifotosintetici.



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Alghe

Rientrano fra le alghe numerosi organismi eucariotici checontengono clorofilla e svolgono la fotosintesi. La maggior

parte sono microscopiche (quelle di nostro interesse), sonopresenti tuttavia organismi macroscopici di dimensionemolto elevata.

Colonie di Volvox

Le alghe contengono clorofilla e si

presentano di colore verde,possono assumere colori diversi(marrone o rosso) per la presenzadi altri pigmenti.



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Protozoi

I protozoi sono organismieterotrofi generalmente

unicellulari, sprovvisti diuna ben delimitata paretecellulare. La maggior parteè mobile. Possono essere

patogeni per l’uomo o peraltri animali.



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Funghi

Muffe:

Sono funghi con struttura filamentosa, caratteristic i per le loro

efflorescenze polverose d i c olore b ianc o-grigio, verdastro, nero. Si

riproducono tramite spore c he d ifferiscono nella morfolog ia, nel modo in

c ui sono prodotte, nel colore. Le loro c ond izioni ottimali d i pH sono di c irca5,6 con intervallo tra 2 e 9.

Lieviti:

Funghi unicellulari che vivono in habitat liquidi o umidi.

Sono organismi eterotrofi pluricellulari, caratterizzati dallapresenza di una parete cellulare e dalla produzione dispore.

I gruppi di maggiore importanza sono: muffe, lieviti e funghi fruttiferi.



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Virus

Il termine virus significa, “veleno” e venne usato per la primavolta per indicare particelle patogene più piccole dei batteri. Essi

non possiedono molti degli attributi tipici delle cellule ed, inparticolare, sono sistemi dinamici e aperti in grado di assimilarenutrienti ed espellere metaboliti.

Sono parassiti intracellulari obbligati e solo quando infettanouna cellula sono in grado di riprodursi.

I virus non sono cellule maparticelle composte da acidinucleici (DNA o RNA)

racchiusi in un involucroproteico



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Metabolismo microbicoPercorsi metabolici e

conseguente classificazione dei

microrganismi



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Il metabolismo dei microrganismi

Un organismo per potersi riprodurre e

funzionare correttamente ha bisogno di:- Energia

- Carbonio

- Elementi inorganici (nutrienti)

- Fattori di crescita (amminoacidi, vitamine, basi azoto, …)



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Anabolismo e CatabolismoLe attività metaboliche seguono due percorsi metabolici diversi:

- cammino anabolico (consumo di energia), che è un

processo assimilativo che comporta la sintesi deicomponenti della cellula (biosintesi),

- cammino catabolico (rilascio di energia), che è unprocesso dissimilativo . Le sostanze assunte vengono

degradate attraverso una serie di passaggi intermedi fino aprodotti 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.



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Ossido riduzioneNei sistemi biologici la produzione e la

conservazione dell’energia coinvolge reazioni

di ossido-riduzione (redox). In queste si ha unoscambio di elettroni tra un elemento donatoreche si ossida, ed un elemento accettore che siriduce.

Le reazioni redox rispetto ad altre reazionichimiche, hanno un valore più elevato della

resa di energia per mole di reagenti coinvolti.



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ATP

ATP (Adenosintrifosfato): è la molecola che nel metabolismo delle cellule svolgel’importante funzione energetica di accumulare energia fornita dal catabolismo e difornirla successivamente per le reazioni metaboliche, comportandosi come una sortadi 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 grandequantità di energia e si forma ADP (adenosindifosfato).

ATP ↔ ADP + Pi + energiaCon un meccanismo di ricarica l’energia fornita dal catabolismo viene accumulatadalla reazione inversa.

ADP + Pi + energia ↔ ATPÈ opportuno evidenziare l’importanza del fosforo che deve essere sempre presente pergarantire lo svolgimento delle reazioni metaboliche.



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ATP

Illustrazione schematica del ruolo svolto dall’ATP nel metabolismo

SUBSTRATO(Fonte energetica)

ATP

ADP

scambiodi

energia

Sintesi della biomassa

Metabolismo di mantenimento

PRODOTTI METABOLICI

² GReazioni Anaboliche

Consumo di energia libera

Reazioni CatabolicheGenerazione di energia libera

²G = - 7kcal/mole ATP+ H 2OATPasi

ADP +Piiodrolisi ATP

Fosforilazione ADP ADP +Pi

Fosforilazione ATP ²G = 7kcal/mole

f o s

f o

r i l a

z i

o n

e i d r o

l i s

i



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Enzimi e coenzimi

Gli enzimi negli organismi viventi hanno il compito di velocizzare le reazionibiochimiche che, in loro assenza, avverrebbero tempi lunghi, non compatibilicon 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 organichedette coenzimi



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Enzimi

Cinetica enzimatica

La velocità della reazione globale aumenta proporzionalmente allaconcentrazione del substrato e quindi del complesso E-S. Come si può notare

dalla figura, questo incremento decresce sino al raggiungimento di un plateauin cui la concentrazione di S è così elevata da mantenere sempre saturol’enzima; in queste condizioni la velocità di reazione per unità di enzimi (obatteri), V/E, è massima e pari a k.

La relazione tra concentrazione di substrato e la velocità è stata studiata daMichaelis- Menten



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Nutrienti

NH4+, NH3, NO3

-, N2, composti organici azotatiAzoto

Fe2+ o Fe3+ in soluzione o come Sali di FerroFerro

Ca2+ in soluzione o Sali di calcioCalcio

Na+ in soluzione o Sali di sodioSodioMg

2+

in soluzione o Sali di magnesioMagnesio

K + in soluzione o Sali di potassioPotassio

H2S, SO42-, comp. organici, metalli solfatiZolfo

PO43-Fosforo

H2O, O2, composti organiciOssigeno

H2O, composti organiciIdrogeno

CO2, composti organiciCarbonio

Forma più comune in naturaElementi



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SORGENTE DI CARBONIO: viene convertito in materialecellulare (protoplasma)

DONATORE DI ELETTRONI (SUBSTRATO): alimenta lasemireazione di ossidazione e rappresenta la fonte dienergia nel cammino catabolico.

ACCETTORE DI ELETTRONI: alimenta la semireazione di

riduzione nel cammino catabolico.

I principali elementi che devono essere consideratiper la classificazione dei microrganismi sono:

Classificazione dei microrganismi



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Fonte di Carbonio

Eterotrofi: organismi che utilizzanocome fonte il carboniocontenuto nei compostiorganici

Autotrofi: organismi che utilizzano

come fonte di carbonio laCO2



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EnergiaLe cellule richiedono energia per le attività di sintesi e di

mantenimento. L’energia può essere ottenuta da tre fontidiverse:

I microrganismi che utilizzano la luce come sorgente dienergia sono detti FOTOTROFI;

quelli che invece usano l’energia chimica sono definitiCHEMIOTROFI.

- Composti chimici organici

- Composti chimici inorganici

- Luce

CHEMIOTROFI

FOTOTROFI

Chemiorganotrofi

Chemiolitotrofi



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Classificazione in funzione del ruolo

dell’ossigenoI diversi tipi di metabolismo possono essere distinti sulla base dellemodalità con le quali viene prodotta l’energia necessaria per lefunzioni vitali. In particolare sulla necessità o meno dell’ossigenocome accettore finale delle reazioni di ossido-riduzione.

Metabolismo aerobico quando l’ossigeno funge da accettore finaledegli elettroni (i microrganismi che sfruttano questo metabolismosono detti AEROBICI)

Metabolismo anaerobico quando viene utilizzato un accettore finaledi elettroni diverso dall’ossigeno (i microrganismi sono dettiANAEROBICI).

Un caso particolare di metabolismo anaerobico è quello in cui gliaccettori finali di elettroni siano i nitriti e/o i nitrati. Si parla in questocaso di Metabolismo anossico (spesso svolto da microrganismiFACOLTATIVI, che cioè in presenza di ossigeno usano questocome accettore ed in sua assenza nitriti e nitrati).



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Respirazione: ossigeno molecolare o altro compostoinorganico come accettore di e-. Il substrato organico vieneossidato a CO2.

Fermentazione: assenza di un accettore di e- esterno.Vengono utilizzati gli stessi composti organici donatori.

La fermentazione è caratterizzata in termini energetici da unaresa inferiore alla respirazione (minore velocità di crescita

ed inferiori rendimenti di sintesi)

Respirazione e Fermentazione



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Condizioni potenziale redox

CO2

Substrato

organico

C

N O 3- ,

S O 4- - ,

C O 3- -

Respirazione

anossica

O2

Respirazione

aerobica

Fermentazione

anaerobica

Substrato

organico

Prodotti di

fermentazione

C

e -

CO2

Substrato

organico

C

e -

POTENZIALE REDOX

molto negativo debolmente negativo

o circa zero

positivo

Accettore dielettroni

Trasformazionedel Carbonio

Ossido-Riduzioniinterne

Flussointerno

di e-



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MetanoCO2Acidi Grassi Volatili

VFAComposti

Organici

MetanogenesiAnaer. Eterot.

H2S, CO2,H2O

SO42-Composti

OrganiciCompostiOrganici

Riduzione SolfatiAnaer. Eterot.

Fe(II), CO2,H2OFe (III)CompostiOrganiciCompostiOrganici

Riduzione FeAnaer. Eterot.

VFAComposti

organici

Composti

Organici

Composti

Organici

Fermentazione

Acida

AnaeraerobicoEterot.

N2, CO2, H2ONO2-, NO3-CompostiOrganici

CompostiOrganici

DenetrificazioneAnossicaFacololtativoEterototrofo

SO42-O2H2SCO2

Ox. SolfuriAerobico aut

Fe (III)O2Fe (II)CO2Ox. FerroAerobico aut

NO2-, NO3-O2NH4+, NO2-CO2NitrificazioneAerobicoautotrorfo

CO2, H2OO2CompostiOrganici

CompostiOrganici

Respirazione

AerobicaAerobicoeterotrofo

ProdottiAccettoree-

Donatore e-Fonte CReazioneTipo



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Definizione dei parametri

cinetici



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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 seguenterelazione:

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 allaconcentrazione X della biomassa si introduce il tasso di crescita:

dt

dX r g =

dt

dX

X

1=μ



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Velocità e tasso di respirazione

endogenaL’attività di respirazione endogena corrisponde all’utilizzo come fonte di

carbonio ed energia lo stesso materiale cellulare. Tale fase è semprepresente in contemporanea con la crescita cellulare. Diventa l’attivitàprevalente quando il substrato è esaurito.

La velocità (rateo) di respirazione endogena dei batteri è definita dallaseguente 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:

dt

dX r d −=

dt

dX

X k

d

1−=



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Velocità di crescita nettaLa velocità di crescita netta è data dalla differenza fra quella di

crescita e quella endogena (che comporta un consumo delmateriale 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 crescitanetta:

μ’ = μ - kd



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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 ilsubstrato:

in cuirsu 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:

dt

dSr su −=

dt

dS

X U

1−=



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Fattore di resa

(rendimento di crescita)

Una parte del substrato è convertito in prodotti inorganici ed organici finalimentre un’altra parte porta alla formazione di nuove cellule. La successiva

relazione mette in relazione il tasso di utilizzazione del substrato (rsumassa/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 dellarespirazione endogena è utile introdurre il fattore di resa osservato Y

obs

:

X dt

dX essendo

Y

X

dt

dS

dt dS

dt dX

r

r Y

su

g 1

/

/ ==−⇒

−== μ

μ

su

g

obs r

r

Y

'=

dt

dX r g =

dt

dSr su −=



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Esempio di calcolo del fattore di resaCalcoliamo Y nel caso di un substrato noto (p.es. formaldeide CH2O)

8 CH 2Osubstrato

+ 3O 2 + NH 3 → C 5 H 7 NO 2

biomassa

+ 3CO 2 + 6 H 2 O

Y =

Biomassa prodotta

Substrato consumato =

C 5 H 7 NO 2

8 CH 2 O =

113

8 × 30 = 0 .47 g SSV / g substrato

Peso molecolare del substrato CH2O = 30

Peso molecolare della biomassa C5H7NO2 = 113

Il fattore di resa può anche essere calcolato come:

gCOD (nella biomassa prodotta) /gCOD (nel substrato degradato)

Massa atomica C = 12 ; N = 14; H = 1; O = 16



24/02/2010

Calcolo di Y in termini di COD Equivalenza COD/substrato:

3222275 255 NH O H COO NO H C ++→+

8 CH 2O + 8O → 8 CO 2 + 8H 2 O

f COD =

8 × O 2

8 × CH 2 O =

8 × 32

8 × 30 = 1.06 g COD / g substrato

Equivalenza COD/biomassa:

f X = 5 O 2

C 5 H NO 2

= 5 × 32 113

= 1.42 g COD cell / g biomassa

Pertanto Y:gCOD

gCOD

gsubstrato

gSSV

substrato

biomassaY 63,0

06,1

42,147,047,0 =

•===

T di it t i d l



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Tasso di crescita e concentrazione del

substratoUna relazione empirica della relazione esistente fra il tasso di crescita della

biomassa e la concentrazione di substrato, largamente utilizzata nellapratica, è quella ricavata da Monod derivata dalla cinetica enzimatica diMichelis-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. Ksrappresenta 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 μ = μmax (cinetica di ordine zero)

Per S<< Ks μ = μmaxS/Ks (cinetica di ordine uno)

SK

S

S += maxμ μ

SK

kSX

SK

SX

Y r

SS

su+

=+

=max

X dt

dX essendo

Y

X

dt

dS

dt dS

dt dX

r

r Y

su

g 1

/

/ ==−⇒

−== μ

μ

à



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Proprietà della cinetica di

crescita



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All’aumentare del substrato disponibile il tasso di crescita aumenta fino ad unvalore massimo. Si noti come in presenza di alti valori di Ks il rateo massimo dicrescita si ottiene per valori più elevati dalla concentrazione del substrato, mentrecon valori bassi di Ks si ottiene già con basse concentrazioni.

Andamento rateo di crescita

0

1

2

3

4

5

6

7

0 200 400 600 800 1000 1200

Substrato (mg/l)

R a t e o

d i c r e s c i t a

( 1 / d ) KS = 100

KS = 10

KS = 50

Effetto della costante di semisaturazione



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Sostanze inibitrici dei processi di

crescitaOggi le acque reflue raccolgono spesso sostanze tossiche (composti

organici o metalli pesanti) che possono diventare inibitori dellacrescita microbica impedendo così il funzionamento dei sistemi

biologici di depurazione. Tale effetto di inibizione si esplica,solitamente, superando una definita soglia di concentrazione.

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. 1mg/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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