I microrganismi e gli ecosistemi: quando le dimensioni non contano

Introduzione

Il termine microrganismo viene utilizzato per indicare esseri viventi piccolissimi, generalmente unicellulari ed in grado di colonizzare tutti gli ambienti. Questa loro capacità è dovuta a mutazioni spontanee che hanno permesso la selezione delle specie più adatte a sopravvivere in un particolare habitat. Generalmente, la suddivisione prevede quattro gruppi: batteri (divisi ulteriormente in gram positivi e negativi), funghi, muffe, lieviti e virus. Ciascuno dei gruppi presenta specifiche caratteristiche e dimensioni infatti, i batteri hanno dimensioni che vanno dai 0,2 – 10 µm, le spore di muffe: 2,5 – 20 µm, le spore di lieviti: 4 – 12 µm ed i virus: 0,01 – 0,3 µm. Tuttavia, nonostante le dimensioni impercettibili ad occhio nudo, questi organismi possono fortemente influenzare le caratteristiche dei singoli ecosistemi grazie alla secrezione di sostanze, trasformazione dei nutrienti e controllo di specie invasive/patogene.

Microrganismi, ambiente ed ecosistemi

Gli ecosistemi sono costituiti dall’ambiente e dagli organismi che vivono in esso quindi, si definisce “habitat” il luogo in cui vive una popolazione microbica mentre si parla di consorzio microbico quando vi è un insieme di popolazioni che si trovano in uno stesso habitat ed hanno un metabolismo correlato. Infine, le comunità microbiche nascono dall’associazione di diversi consorzi che interagiscono tra loro all’interno di un ambiente.

Tutti gli ecosistemi sono fortemente influenzati e controllati dalle popolazioni microbiche che interagiscono tra loro conducendo i loro naturali processi metabolici utili a rimuovere nutrienti dall’ambiente circostante. Allo stesso tempo, liberano nell’ambiente i loro prodotti di scarto. Per via di questo fenomeno e le loro attività metaboliche, possono avere un ruolo determinante nei cosiddetti “cicli biogeochimici”, vale a dire i cicli della materia dell’ecosistema globale. Di conseguenza, mediante l’attività biologica di organismi “inferiori”, un qualsiasi ecosistema tende a cambiare chimicamente e fisicamente creando delle condizioni che talvolta possono limitare la sopravvivenza di organismi superiori.

Cicli biogeochimici

Le attività metaboliche dei microrganismi sono fondamentali per la trasformazione della materia che avviene mediante specifiche reazioni biochimiche. Il loro intervento rende possibile l’esistenza della vita e il mantenimento degli equilibri ambientali sulla Terra. In generale, tutti gli organismi viventi influenzano i cicli degli elementi ma la maggioranza di queste trasformazioni viene operata mediante processi di ossido-riduzione svolti dai microrganismi. I cicli principali in cui sono coinvolti sono quelli del carbonio, azoto e zolfo. Le “biotrasformazioni” prevedono cambiamenti fisici della materia associati ai concetti di solubilizzazione, precipitazione e volatilizzazione.

Impatto dei microrganismi sugli ecosistemi

Il modo in cui i microrganismi agiscono sugli ecosistemi è correlato ai nutrienti che ciascuna specie riesce ad utilizzare all’interno di un ambiente. Nel caso dell’azoto (Fig. 1), si parla di un processo noto come “fissazione dell’azoto” che viene svolta da un numero limitato di batteri detti azoto-fissatori. L’ammonio prodotto viene poi assimilato sia dai microrganismi che dalle piante divenendo azoto organico utile alla composizione di amminoacidi e nucleotidi fondamentali per tutti gli organismi viventi. Nel caso del ciclo del carbonio (Fig. 2) si osserva la produzione di due gas: anidride carbonica e metano.

La riduzione dell’anidride carbonica in composti organici viene svolta da piante, alghe e procarioti. Tali composti organici vengono poi riossidati in anidride carbonica nel momento in cui tutti gli organismi si nutrono di essi. Il metano viene prodotto grazie a microrganismi detti “metanogeni” a partire da composti organici o anidride carbonica e può ritornare allo stato di anidride carbonica grazie l’azione di microrganismi “metilotrofi” quindi batteri e funghi. Pertanto, anche in questo caso, si osserva come i microrganismi possano avere un ruolo determinante nel regolare la concentrazione dei gas presenti in atmosfera e garantire la sopravvivenza di tutti gli altri organismi.

Infine, nel caso dello zolfo (Fig. 3), si può parlare della riduzione per “via assimilativa” operata da alcuni microrganismi e della mineralizzazione in idrogeno solforato. In particolare, l’idrogeno solforato è una molecola tossica quindi, l’azione di microrganismi zolfo-ossidanti, capaci di trasformarlo in zolfo elementare, risulta determinante per un corretto equilibrio ecosistemico.

Figura 1 - Ciclo dell’azoto – [Credits: BioPills] — *Figura 1 – Ciclo dell’azoto – [Credits: BioPills]*

Figura 2 - Ciclo del carbonio – [Credits: Natalia Coco, slideplayer.it] — *Figura 2 – Ciclo del carbonio – [Credits: Natalia Coco, slideplayer.it]*

Figura 3 - Ciclo dello zolfo – [Credits: Simone Piva, slideplayer.it] — *Figura 3 – Ciclo dello zolfo – [Credits: Simone Piva, slideplayer.it]*

Impatto dei microrganismi sull’equilibrio di particolari ecosistemi: probiotici

La definizione di “probiotico”, nel corso del tempo, ha subito diverse trasformazioni. In generale, si può parlare di un “integratore microbico vivo che beneficia l’ospite migliorando il suo equilibrio microbico”. Considerata la capacità dei microrganismi di influenzare gli equilibri ambientali e la loro possibile presenza all’interno dell’ambiente acquatico, nel contesto dell’acquacoltura è stata proposta una nuova definizione di probiotico quindi “additivi microbici viventi che beneficiano della salute degli idrobionti e quindi aumentano la produttività“. All’interno di questi ambienti i microrganismi riescono a promuovere la crescita delle altre forme di vita superiori, migliorare la qualità dell’acqua minimizzando la quantità di carbonio organico disciolto/metalli pesanti e, infine, inibire la presenza di patogeni limitando l’insorgenza di malattie grazie alla secrezione di sostanze come antibiotici, batteriocine, siderofori, enzimi (lisozimi, proteasi) e/o perossido di idrogeno.

Nel caso dell’effetto positivo sull’ “ambiente intestinale” è possibile fare riferimento al cosiddetto microbiota intestinale quindi l’insieme dei microrganismi che colonizzano l’apparato digerente dell’uomo. I ceppi indigeni possono ostacolare la colonizzazione dell’intestino da parte di nuovi microbi patogeni, sintetizzare sostanze utili (vitamina K), digerire molecole complesse determinando la formazione di molecole semplici che possono essere utilizzate facilmente nei processi metabolici, migliorare il funzionamento del sistema immunitario, ridurre il rischio di tumori e proteggere il sistema cardiovascolare.

Detossificazione dei sistemi ambientali e biorisanamento

I processi microbiologici relativi alla trasformazione degli inquinanti rappresentano una componente chiave nei fenomeni di auto-depurazione degli ecosistemi. Tuttavia, anche la relazione tra i contaminanti presenti, il loro livello di ecotossicità e le caratteristiche metaboliche delle popolazioni microbiche presenti in un certo ambiente sono fattori determinanti. A tal proposito, sono stati effettuati diversi studi rivolti a comprendere con esattezza le capacità metaboliche di singole specie in modo da definire, nel contempo, metodi di biostimolazione (aggiungere nutrienti per favorire la crescita dei batteri autoctoni) e bioaugmentation (aggiungere batteri competenti, autoctoni o alloctoni, per aumentare le capacità cataboliche rilevanti per il processo di biorisanamento) utili ad incrementare la presenza di specie batteriche ad impatto positivo all’interno di un preciso ambiente.

Grazie al positivo potenziale applicativo che alcuni microrganismi possiedono è possibile sottolineare la grande rilevanza che questi possono avere in termini di riduzione della concentrazione di contaminanti, riequilibrio di sistemi ambientali che hanno subito perturbazioni e miglioramento delle condizioni di vita di tutti gli altri organismi presenti in quell’ambiente.

Conclusioni

Nonostante i microrganismi vengano principalmente associati a situazioni di pericolo per via della presenza di molte specie patogene, è doveroso considerare anche l’effetto benefico che questi possono avere all’interno di ogni tipo di ambiente. Sulla base delle prove scientifiche attualmente esistenti, si può pensare ad una grande rilevanza non solo relativa agli equilibri stabiliti negli ecosistemi ma anche al molteplice utilizzo che questi possono avere nei processi di risanamento ambientale. Alla luce di questo, risulta evidente che gli organismi dalle dimensioni impercettibili giocano un ruolo chiave nell’ecosistema globale, quindi possono avere una forte influenza sulle condizioni ambientali e sulla vita di organismi considerati come superiori.