MICROBIOLOGIA AMBIENTALE: OGGETTO DI STUDIO E APPLICAZIONI - BIOLOGIA - 2025

La Microbiologia Ambientale è la scienza che studia la diversità e la funzione dei microrganismi nei loro ambienti naturali e le applicazioni delle loro capacità metaboliche nel biorisanamento del suolo e dell'acqua contaminati. Di solito è suddiviso nelle discipline di: ecologia microbica, geomicrobiologia e biorisanamento.

Microbiologia (mikros: small, bios: life, logos: study), studia in modo interdisciplinare un gruppo ampio e diversificato di organismi unicellulari microscopici (da 1 a 30 µm), visibili solo attraverso il microscopio ottico (invisibili all'occhio umano ).

Figura 1. A sinistra: microscopio ottico, uno strumento che consente di visualizzare i microrganismi sotto ingrandimento (Fonte: https://pxhere.com/es/photo/1192464). A destra: micrografia elettronica di batteri ampiamente distribuiti nel genere Pseudomonas (di: CDC, per gentile concessione: Public Health Image Library).

Gli organismi raggruppati nel campo della microbiologia sono dissimili per molti aspetti importanti e appartengono a categorie tassonomiche molto diverse. Esistono come cellule isolate o associate e possono essere:

• Principali procarioti (organismi unicellulari senza un nucleo definito), come eubatteri e archeobatteri.
• Eucarioti semplici (organismi unicellulari con un nucleo definito), come lieviti, funghi filamentosi, microalghe e protozoi.
• Virus (che non sono cellulari, ma sono microscopici).

I microrganismi sono in grado di svolgere tutti i loro processi vitali (crescita, metabolismo, generazione e riproduzione di energia), indipendentemente da altre cellule della stessa o diversa classe.

Caratteristiche microbiche rilevanti

Interazione con l'ambiente esterno

Gli organismi unicellulari a vita libera sono particolarmente esposti all'ambiente esterno. Inoltre, hanno sia una dimensione cellulare molto piccola (che influisce sulla loro morfologia e flessibilità metabolica), sia un elevato rapporto superficie / volume, che genera ampie interazioni con il loro ambiente.

Per questo sia la sopravvivenza che la distribuzione ecologica microbica dipendono dalla sua capacità di adattamento fisiologico a frequenti variazioni ambientali.

Metabolismo

L'elevato rapporto superficie / volume genera alti tassi metabolici microbici. Ciò è correlato al suo rapido tasso di crescita e divisione cellulare. Inoltre, in natura esiste un'ampia diversità metabolica microbica.

I microrganismi possono essere considerati macchine chimiche, che trasformano varie sostanze sia all'interno che all'esterno. Ciò è dovuto alla sua attività enzimatica, che accelera i tassi di reazioni chimiche specifiche.

Adattamento ad ambienti molto diversi

In generale il microhabitat microbico è dinamico ed eterogeneo rispetto al tipo e alla quantità di nutrienti presenti, nonché alle loro condizioni fisico-chimiche.

Esistono ecosistemi microbici:

• Terrestre (su rocce e suolo).
• Acquatico (in oceani, stagni, laghi, fiumi, sorgenti termali, falde acquifere).
• Associato con organismi superiori (piante e animali).

Ambienti estremi

I microrganismi si trovano praticamente in ogni ambiente del pianeta Terra, familiari o meno a forme di vita superiori.

Ambienti con condizioni estreme per quanto riguarda temperatura, salinità, pH e disponibilità di acqua (tra le altre risorse), presentano microrganismi "estremofili". Questi tendono ad essere per lo più archaea (o archeobatteri), che formano un dominio biologico primario differenziato da quello dei batteri e degli eucarya, chiamato Archaea.

Figura 2. Habitat dei microrganismi estremofili. A sinistra: acqua termale nel Parco Nazionale di Yellowstone, dove sono stati studiati i microrganismi termofili (Fonte: Jim Peaco, National Park Service, tramite Wikimedia Commons). A destra: l'Antartide, un luogo in cui sono stati studiati i microrganismi psicrofili (Fonte: pxhere.com).

Microrganismi estremofili

Tra l'ampia varietà di microrganismi estremofili, ci sono:

• Termofili: che presentano una crescita ottimale a temperature superiori ai 40 ° C (abitanti delle sorgenti termali).
• Psicrofili: di crescita ottimale a temperature inferiori a 20 ° C (abitanti di luoghi con ghiaccio).
• Acidofilo: con crescita ottimale in condizioni di pH basso, prossimo a 2 (acido). Presente nelle sorgenti calde acide e nelle fessure vulcaniche sottomarine.
• Alofili: richiedono alte concentrazioni di sale (NaCl) per crescere (come nelle salamoie).
• Xerofili: in grado di sopportare la siccità, cioè la bassa attività dell'acqua (abitanti di deserti come l'Atacama in Cile).

Biologia molecolare applicata alla microbiologia ambientale

Isolamento microbico e coltura

Per studiare le caratteristiche generali e le capacità metaboliche di un microrganismo, esso deve essere: isolato dal suo ambiente naturale e mantenuto in coltura pura (esente da altri microrganismi) in laboratorio.

Figura 3. Isolamento microbico in laboratorio. A sinistra: funghi filamentosi che crescono su terreno di coltura solido (Fonte: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). A destra: isolamento di un ceppo batterico mediante la tecnica di semina per deplezione (Fonte: Drhx, da Wikimedia Commons).

Solo l'1% dei microrganismi esistenti in natura è stato isolato e coltivato in laboratorio. Ciò è dovuto alla mancanza di conoscenza delle loro specifiche esigenze nutrizionali e alla difficoltà di simulare la grande varietà di condizioni ambientali esistenti.

Strumenti di biologia molecolare

L'applicazione delle tecniche di biologia molecolare al campo dell'ecologia microbica ha consentito di esplorare la biodiversità microbica esistente, senza necessità del suo isolamento e coltivazione in laboratorio. Ha persino permesso di identificare i microrganismi nei loro microhabitat naturali, cioè in situ.

Ciò è particolarmente importante nello studio dei microrganismi estremofili, le cui condizioni di crescita ottimali sono complesse da simulare in laboratorio.

D'altra parte, la tecnologia del DNA ricombinante con l'utilizzo di microrganismi geneticamente modificati ha consentito l'eliminazione di sostanze inquinanti dall'ambiente nei processi di biorisanamento.

Aree di studio della microbiologia ambientale

Come inizialmente indicato, le diverse aree di studio della microbiologia ambientale comprendono le discipline dell'ecologia microbica, della geomicrobiologia e del biorisanamento.

-Ecologia microbica

L'ecologia microbica fonde la microbiologia con la teoria ecologica, attraverso lo studio della diversità dei ruoli funzionali microbici nel loro ambiente naturale.

I microrganismi rappresentano la più grande biomassa sul pianeta Terra, quindi non sorprende che le loro funzioni o ruoli ecologici influenzino la storia ecologica degli ecosistemi.

Un esempio di questa influenza è la comparsa di forme di vita aerobiche grazie all'accumulo di ossigeno (O ₂ ) nell'atmosfera primitiva, generato dall'attività fotosintetica dei cianobatteri.

Campi di ricerca dell'ecologia microbica

L'ecologia microbica è trasversale a tutte le altre discipline della microbiologia e studia:

• Diversità microbica e sua storia evolutiva.
• Interazioni tra microrganismi in una popolazione e tra popolazioni in una comunità.
• Interazioni tra microrganismi e piante.
• Fitopatogeni (batterici, fungini e virali).
• Interazioni tra microrganismi e animali.
• Le comunità microbiche, la loro composizione e i processi di successione.
• Adattamenti microbici alle condizioni ambientali.
• I tipi di habitat microbici (atmosfera-ecosfera, idro-ecosfera, lito-ecosfera e habitat estremi).

-Geomicrobiology

La geomicrobiologia studia le attività microbiche che influenzano i processi geologici e geochimici terrestri (cicli biogeochimici).

Questi si verificano nell'atmosfera, nell'idrosfera e nella geosfera, in particolare in ambienti come sedimenti recenti, corpi idrici sotterranei a contatto con rocce sedimentarie e ignee e nella crosta terrestre esposta agli agenti atmosferici.

È specializzato in microrganismi che interagiscono con i minerali nel loro ambiente, dissolvendoli, trasformandoli, precipitandoli, tra gli altri.

Campi di ricerca della geomicrobiologia

Studi di geomicrobiologia:

• Interazioni microbiche con processi geologici (formazione del suolo, disgregazione rocciosa, sintesi e degradazione di minerali e combustibili fossili).
• La formazione di minerali di origine microbica, sia per precipitazione che per dissoluzione nell'ecosistema (ad esempio, negli acquiferi).
• Intervento microbico nei cicli biogeochimici della geosfera.
• Interazioni microbiche che formano ammassi indesiderati di microrganismi su una superficie (biofouling). Questi biofouling possono provocare il deterioramento delle superfici in cui abitano. Ad esempio, possono corrodere le superfici metalliche (biocorrosione).
• Prove fossili di interazioni tra microrganismi e minerali dal loro ambiente primitivo.

Ad esempio, le stromatoliti sono strutture minerali fossili stratificate provenienti da acque poco profonde. Sono costituiti da carbonati dalle pareti di cianobatteri primitivi.

Figura 4. A sinistra: stromatoliti fossili in acque poco profonde (fonte foto a sinistra: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). A destra: dettaglio delle stromatoliti (fonte foto a destra: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Biorimedio

Il biorisanamento studia l'applicazione di agenti biologici (microrganismi e / o loro enzimi e piante), nei processi di recupero di suoli e acque contaminati da sostanze pericolose per la salute umana e l'ambiente.

Figura 5. Contaminazione da petrolio nella foresta pluviale amazzonica ecuadoriana. Fonte: Ministero degli Esteri dell'Ecuador, tramite Wikimedia Commons

Molti dei problemi ambientali attualmente esistenti possono essere risolti con l'uso della componente microbica dell'ecosistema globale.

Campi di ricerca del biorisanamento

Studi di biorisanamento:

• Le capacità metaboliche microbiche applicabili nei processi di igienizzazione ambientale.
• Interazioni microbiche con inquinanti inorganici e xenobiotici (prodotti sintetici tossici, non generati da processi biosintetici naturali). Tra i composti xenobiotici più studiati vi sono alocarburi, nitroaromatici, policlorobifenili, diossine, alchilbenzil solfonati, idrocarburi di petrolio e pesticidi. Tra gli elementi inorganici più studiati ci sono i metalli pesanti.
• La biodegradabilità degli inquinanti ambientali in situ e in laboratorio.

Applicazioni della microbiologia ambientale

Tra le tante applicazioni di questa vasta scienza, possiamo citare:

• La scoperta di nuove vie metaboliche microbiche con potenziali applicazioni in processi di valore commerciale.
• Ricostruzione delle relazioni filogenetiche microbiche.
• L'analisi delle falde acquifere e delle forniture di acqua potabile pubblica.
• Dissoluzione o lisciviazione (bioleaching) di metalli nel mezzo, per il loro recupero.
• Bioidrometallurgia o biomining di metalli pesanti, nei processi di biorisanamento di aree contaminate.
• Biocontrollo dei microrganismi coinvolti nella biocorrosione dei contenitori di rifiuti radioattivi disciolti nelle falde acquifere sotterranee.
• Ricostruzione della primitiva storia terrestre, del paleoambiente e delle primitive forme di vita.
• Costruzione di modelli utili nella ricerca di vita fossilizzata su altri pianeti, come Marte.
• Sanificazione di aree contaminate da sostanze xenobiotiche o inorganiche, come metalli pesanti.

Riferimenti

1. Ehrlich, HL e Newman, DK (2009). Geomicrobiologia. Quinta edizione, CRC Press. pagg 630.
2. Malik, A. (2004). Biorisanamento del metallo attraverso la crescita delle cellule. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
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5. Van den Burg, B. (2003). Estremofili come fonte di nuovi enzimi. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
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