Microbiologia ambientale

Una panoramica

Non li vediamo e non li percepiamo, ma i microrganismi sono ovunque. Essi ricoprono la quasi totalità delle superfici terrestri e possono colonizzare ambienti estremi, dalle sorgenti idrotermali ai ghiacciai. Questi esercitano un notevole impatto sulla biosfera, svolgendo un ruolo importante nella regolazione dei cicli biogeochimici, nella fertilità dei suoli e nella biodegradazione di una grande varietà di composti presenti nell’ambiente. In questo contesto si inserisce la microbiologia ambientale.

L’obiettivo della microbiologia ambientale è proprio quello di studiare la composizione, la fisiologia e le interazioni delle comunità microbiche, nonché le loro relazioni con l’ambiente. Questa disciplina sta orientando i propri studi anche sulle possibili applicazioni di queste comunità nel biorisanamento.

Storia della microbiologia ambientale

Sebbene i microrganismi fossero già noti a partire dal XVII secolo, l’interesse per essi era principalmente rivolto all’ambito medico. Per avvicinarci ad un concetto più moderno di microbiologia ambientale bisognerà attendere il XIX secolo.

Uno dei primi ricercatori ad allontanarsi dal contesto medico per studiare i microrganismi sotto l’aspetto ecologico fu Sergej Vinogradskij, scopritore della chemiosintesi e sviluppatore dell’omonima colonna.

Senza nulla togliere al suo importante contributo, gli studi di Vinogradskij erano principalmente focalizzati sulla fisiologia dei microrganismi e non sulle loro interazioni con l’ambiente.

Uno dei primi veri pionieri della microbiologia ambientale fu Robert Edward Hungate (Fig. 1), che nel corso del ‘900 studiò le comunità microbiche presenti nel rumine bovino. I suoi studi lo portarono a sviluppare nuove tecniche di coltura ed isolamento di batteri anaerobi e nuovi approcci per lo studio dei microrganismi e del loro ruolo ecologico.

Robert E. Hungate, considerato il padre della microbiologia ambientale
Figura 1 – Robert E. Hungate, considerato il padre della microbiologia ambientale [Fonte: www.gf.org]

Le interazioni microrganismi-ambiente suscitarono grande interesse nella comunità scientifica e non solo. Le prime applicazioni della microbiologia ambientale erano incentrate sul controllo e la qualità dell’acqua ai fini della salute pubblica. Basti pensare che fino ai primi anni del ‘900 i trattamenti di potabilizzazione dell’acqua erano spesso poco efficaci con conseguente rischio di contrarre malattie (es. tifo o colera) bevendo acqua contaminata.

La microbiologia ambientale moderna ha ampliato i suoi orizzonti. Oltre all’aspetto patogenetico, essa promuove ricerche nel campo del biorisanamento e dei biomateriali e alla comprensione di fenomeni quali la biocorrosione e relative applicazioni nel settore industriale. Nel corso degli anni la microbiologia ambientale ha potuto quindi svilupparsi ed interfacciarsi con altre discipline, avvalendosi anche degli strumenti della moderna biologia molecolare.

Gli obiettivi della microbiologia ambientale

La microbiologia ambientale si interessa, come già detto, alle interazioni microrganismo-biosfera, intesa come l’insieme di tutti gli ecosistemi presenti sul pianeta in cui è possibile la vita. La biosfera (Fig. 2) è composta da litosfera (suolo e parte del sottosuolo), idrosfera (acque dolci, salate e salmastre) e dalla prima parte di atmosfera (troposfera).

Rappresentazione schematica della biosfera. Essa comprende tutti gli ambienti di studio della microbiologia ambientale
Figura 2 – Rappresentazione schematica della biosfera. Essa comprende tutti gli ambienti di studio della microbiologia ambientale [Fonte: https://i.ytimg.com]

Considerando che gli scambi di materia esterni al pianeta sono estremamente limitati, la biosfera può considerarsi un sistema pressocchè chiuso. In esso sono in atto continui flussi di energia e di materia (cicli biogeochimici) dove gli atomi si combinano in composti complessi per essere successivamente degradati in altri più semplici in un ciclo “infinito”, permettendo il mantenimento della vita. Questi cicli non sarebbero possibili in assenza di microrganismi.

La microbiolgia ambientale aiuta quindi a comprendere i meccanismi alla base del riciclo della materia sulla terra, sia essa di origine biologica o non biologica.

Comunità microbiche nella biosfera

Litosfera

Gli ambienti terrestri (litosfera) sono i più complessi e contengono una grande varietà di microrganismi. La composizione microbica del suolo è influenzata dalle differenti condizioni ambientali, come la disponibilità di acqua e nutrienti, il pH, la temperatura e la tessitura del terreno.

La porzione superficiale è caratterizzata dalla presenza di una grande quantità di biomassa, organismi detritivori e radici. Questo la rende ricca di nutrienti e quindi ampiamente colonizzata da microrganismi. Più in profondità il suolo si impoverisce di nutrienti, riducendo il numero e la varietà delle comunità microbiche. In questi strati più profondi è più facile rilevare microrganismi anaerobi facoltativi chemioeterotrofi.

I batteri Gram positivi sono i più abbondanti nei suoli. Fra questi spiccano i generi Bacillus e Clostridium. I batteri Gram negativi più rappresentati sono i generi Azotobacter, Agrobacterium, Rhizobium e Pseudomonas (tutti chemioeterotrofi) e i generi Nitrosomonas e Nitrobacter (chemioautotrofi). Tutti questi batteri svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo dell’azoto (Fig. 3).

Ciclo dell'azoto, uno dei tanti cicli biogeochimici di grande interesse per la microbiologia ambientale
Figura 3 – Ciclo dell’azoto, uno dei tanti cicli biogeochimici di grande interesse per la microbiologia ambientale [Fonte: www.wikimedia.org]

Oltre ai batteri, anche i funghi svolgono un ruolo fondamentale nel riciclo dei nutrienti, grazie alla loro capacità di degradare la biomassa vegetale (lignina e cellulosa).

Idrosfera

Gli ambienti acquatici (idrosfera) sono estremamente diversificati e la loro capacità di ospitare microrganismi dipende dalla disponibilità di nutrienti, dall’ossigeno dissolto, dalla temperatura e dalla luce.

Gli strati d’acqua più superficiali sono ricchi di ossigeno e facilmente penetrabili dalla luce. Questo li rende degli ambienti perfetti per i microrganismi fotosintetici, come i cianobatteri. Gli strati più profondi, invece, sono poveri di ossigeno e più facilmente colonozzabili da batteri anaerobi.

Negli ambienti acquatici sono presenti batteri di grande interesse per la microbiologia ambientale: ferrobatteri e solfobatteri. Questi svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo del ferro e dello zolfo negli ambienti acquatici. Il genere Thiobacillus ne è un esempio. Thiobacillus ferrooxidans è in grado di ossidare sia i composti del ferro che dello zolfo, portando alla formazione di composti insolubili in acqua, come l’idrossido di ferro. Questo lo rende uno dei protagonisti del fenomeno della biocorrosione, ma anche un grande alleato nella bioestrazione dei metalli. Un altro esempio è il Thiobacillus denetrificans (Fig. 4 ). Questo batterio può ossidare lo zolfo usando il nitrato come accettore di elettroni (al posto dell’ossigeno), che viene ridotto ad azoto elementare ed influenzando così anche il ciclo di questo elemento.

Metabolismo di Thiobacillus denitrificans
Figura 4 – Metabolismo di Thiobacillus denitrificans [Fonte: Hao et al., 2020]

Altri importanti generi sono Desulfovibrio, riduttore dei composti dello zolfo e del ferro, ed altri ferro-ossidanti come Gallionella, Crenothrix, Leptothrix, Sphaerotilus e Siderocapsa. Da annoverare anche i protozoi, gruppo estremamente eterogeneo di organismi, capaci di interagire in sinergia con altri microrganismi svolgendo un ruolo fondamentale per l’ecosistema.

Atmosfera

L’atmosfera non rappresenta un ambiente ospitale per la vita a causa della variabilità di temperatura, scarsità d’acqua e nutrienti. I microrganismi si concentrano nello strato d’aria più prossimo alla superficie terrestre (troposfera) e si trovano fondamentalmente nel bioaerosol (Fig. 5) ed altro particolato aerodisperso.

Formazione e ciclo del bioaerosol nell'ambiente
Figura 5 – Formazione e ciclo del bioaerosol nell’ambiente [Fonte: www.wikimedia.org]

La varbiabilità e la vitalità delle comunità microbiche aerodisperse è influenzata dalla tipologia di ambienti e dalle condizioni ambientali, come temperatura e umidità. Le spore fungine sono le più resistenti in condizioni di stress. Esempi di specie che si possono comunemente riscontrare appartengono ai generi Cladosporium, Aspergillus, Penicillium, Alternaria e Nigrospora. Anche i batteri sporigeni (es. Bacillus spp.), ovvero in grado di produrre endospore, hanno una certa resistenza, mentre altri batteri e le alghe sono decisamente più suscettibili.

L’interesse che la microbiologia ambientale rivolge alle comunità microbiche presenti in atmosfera è fondamentalmente di natura sanitaria. Un altro importante aspetto è sicuramente quello del deterioramento dei materiali ad opera di queste comunità, soprattutto in campo edilizio.

Le applicazioni della microbiologia ambientale

Lo studio delle interazioni fra ambiente e comunità microbiche rappresenta quindi una condizione necessaria per comprendere i meccanismi che regolano gli scambi di materia sul nostro pianeta. La domanda ora sorge spontanea: a quali risvolti pratici ci ha condotto la microbiologia ambientale grazie a questa comprensione?

Senza entrare nel dettaglio, queste applicazioni sono diverse ed alcune rientrano nella vita di tutti i giorni.

Basti pensare al trattamento delle acque reflue, dove l’utilizzo di fanghi attivi (Fig. 6) ricchi di microrganismi permette la rimozione e la degradazione della biomassa, nonché la trasformazione e riciclo di moltissimi elementi (es. nitrificazione e denitrificazione).

Vasca di ossidazione contenente fango attivo in sospensione presso un impianto di trattamento acque
Figura 6 – Vasca di ossidazione contenente fango attivo in sospensione presso un impianto di trattamento acque [Fonte: www.wikimedia.org]

Questa capacità di biodegradare e biotrasformare i composti ha permesso lo sviluppo di tecniche di biorisanamento, dove i contaminanti ambientali (xenobiotici) vengono parzialmente o totalmente detossificati. La microbiologia ambientale sta investendo molto nella comprensione e nello sviluppo di questi meccanismi. In moltissimi casi, infatti, questi processi biodegradativi avvengono spontaneamente in ambiente, indipendentemente dall’influenza umana.

Come già accennato, la microbiologia ambientale ha portato innovazioni importanti anche nel settore industriale. Ne sono esempio la bioestrazione, la biolisciviazione, la produzione di biomateriali e bioenergia, nonché la comprensione di fenomeni per noi dannosi quali la biocorrosione e il biodeterioramento dei materiali (Fig. 7).

Sezione di condotto idraulico in seguito a fenomeni di biocorrosione
Figura 7 – Sezione di condotto idraulico in seguito a fenomeni di biocorrosione [Fonte: www.firesystems.net]

La microbiologia ambientale è quindi una materia multidisciplinare in continua evoluzione ed espansione. Sarà quindi possibile, grazie ai suoi sforzi, comprendere ogni singolo meccanismo che regola il nostro pianeta ed usarlo a nostro vantaggio? Solo il tempo lo dirà.

Bibliografia

Crediti immagini


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