Cicli Biogeochimici Flashcards
(6 cards)
Descrivi il ciclo dell’azoto
Il ciclo dell’azoto non è rappresentabile come un cerchio, è una fitta rete di reazioni, processi ed equilibri che permettono a questo elemento, di ritornare disponibile nell’atmosfera.
E’ possibile raggruppare l’insieme dei processi che determinano il ciclo dell’azoto in 3 gruppi di reazioni:
Le reazioni di ammonificazione.
Le reazioni di nitrificazione.
Le reazioni di assorbimento o assimilazione.
Nelle reazioni di ammonificazione (NITROFISSAZIONE) si parte da composti complessi contenenti azoto. Queste sostanze azotate, già derivate da processi di decomposizione della sostanza organica, vengono ulteriormente demolite in sostanze più semplici grazie all’azione di organismi presenti nei suoli, come funghi e batteri, che le utilizzano per fabbricare le proprie molecole essenziali (proteine e amminoacidi). La restante parte di azoto in eccesso viene liberata sotto forma di ioni ammonio o di ammoniaca. (AZOTOFISSATORI = Azotobacter, Clostridium, Rhizobium)
Nelle reazioni di nitrificazione si ha l’ossidazione di questi ioni dell’ammoniaca. Questo processo è a carico di alcune specie di batteri NITRIFICANTI che ne traggono energia per le loro attività metaboliche. La classica reazione di ossidazione dell’ammoniaca è (AMMONIO OX = Nitrosomonas, )
NH3 + O2 → NO2- +H2O +H
Che porta alla formazione di altri ioni, i nitriti. (NO2-)
Altri batteri (NITRIFICATORI NITRO OX = Nitrospyra e Nitrobacter) hanno il compito di trasformare i nitriti in nitrati, che è la forma con cui le piante riescono ad assimilare ed organicare l’azoto. La reazione che svolgono questi batteri è
NO2- + O2 → NO3-
Ma riuscire ad assimilare l’azoto richiede energia. Gli ioni nitrito che si sono formati durante la nitrificazione vengono dunque assemblati con altri composti organici per formare le macromolecole necessarie alla vita delle piante. Questo passaggio è fondamentale, perché le piante rappresentano l’unica fonte di azoto disponibile per chi in modo diretto (cioè mangiandole) o in modo indiretto se ne nutre.
Esistono poi anche degli organismi che sono in grado di convertire i nitrati in azoto molecolare e sono i cosiddetti batteri denitrificanti (es.Pseudomonas) che riportano l’azoto in atmosfera e altre fonti che poi verranno riutilizzate.
Cos’è il biorisanamento?
Il biorisanamento è una tecnologia di bonifica ambientale basata sul metabolismo microbico di determinati microrganismi in grado di biodegradare o detossificare sostanze inquinanti.
È una tecnologia di bonifica efficace e versatile, applicabile in situ (senza rimuovere la matrice ambientale contaminata) o ex situ (con la rimozione e il trattamento della matrice contaminata in un’area dedicata all’interno del sito). Le tecnologie di biorisanamento sono efficaci sulle più diffuse contaminazioni ambientali.
Le principali tecnologie di bonifica basate sul biorisanamento sfruttano l’azione di microrganismi già presenti nelle matrici ambientali inquinate.
In Situ: Biomiglioramento (bioaugmentation): aggiunta di microrganismi esogeni con capacità degradative desiderate
Fitorisanamento: associazione di microrganismi degradatori con piante: il rilascio di materia organica dalle radici delle piante favorisce la degradazione microbica.
I requisiti per un processo di biorisanamento:
• Contatto dei microrganismi con l’inquinante (substrato)
• Ambiente fisico adeguato
• Disponibilità di nutrienti
• Presenza di Ossigeno
• Assenza di sostanze tossiche
Esempi di Biorisanamento?
Biorisanamento dell’uranio 6+:
L’uranio è un elemento radioattivo presente in natura che può essere trovato in varie formazioni geologiche e depositi minerali
batteri del sottosuolo creano sostanze chimiche che aiutano a trasformare l’uranio, permettendogli di integrarsi più facilmente nei minerali. Questo pozzo stabilizza l’uranio e impedisce che venga trasportato ulteriormente dalle acque sotterranee.
Siti contaminati: siti di estrazione e lavorazione, acque di faglia Radioattivo
Strategia di biorisanamento: contenimento/immobilizzazione per riduzione
Uranio 6+ —> Uranio 4+
UO3, solubile UO2, uraninite, non solubile
Bacteria: Batteri metallo-riduttori (Shewanella, Geobacter)
Batteri solfato-riduttori (Desulfovibrio)
La biodegradazione può essere migliorata attraverso l’iniezione di
donatori organici di elettroni in acque contaminate (es. acetato). Problemi di stabilità di uraninite in condizioni ossiche/presenza di nitrati
Biorisanamento del petrolio?
Miscela di idrocarburi: alcani (lineari o ramificati), cicloalcani, idrocarburi
aromatici
Rappresenta una fonte di materia organica altamente ridotta, può essere completamente ossidato a CO2 e H2O (respirazione aerobica) da diversi batteri, funghi e alghe
La degradazione degli idrocarburi è influenzata da:
• Potenziale genetico: i m.o. nel corso di millenni sono venuti in contatto con miscele di idrocarburi, contengono enzimi capaci di degradare
• Struttura del contaminante: presenza di ramificazioni/sostituzioni
• Condizioni ambientali: presenza di ossigeno, N/P, temperatura, pH, salinità
La degradazione microbica è un processo desiderato in caso di sversamenti
accidentali, deve essere evitata in fase di stoccaggio
Sversamenti accidentali:
-gli idrocarburi volatili alifatici e aromatici evaporano velocemente
-gli idrocarburi non volatili devono essere rimossi fisicamente o degradati da m.o. idrocarburo-ossidanti, la degradazione può essere favorita mediante aggiunta di nutrienti inorganici
Nei serbatoi di stoccaggio:
-si mantengono condizioni anerobiche, la degradazione aerobica è minoritaria -se presenti acqua e solfati (greggio) si possono sviluppare solfato-riduttori → producono H2S, altamente corrosivo
La degradazione è favorita da:
• alta temperatura
• presenza di catene C10-C18, non ramificate, non sostituite
• disponibilità di nutrienti inorganici (N e P)
• produzione di biosurfattanti: tensoattivi che aumentano la solubilità in acqua
degli idrocarburi, quindi l’assimilazione da parte dei m.o.
I m.o. si sviluppano sulle pellicole e le chiazze di petrolio e aderiscono alle goccioline di petrolio
Biodegradazione del petrolio
Biodegradazione Biodegradazione
aerobica anaerobica
Ossigenasi: incorporano O2 nei composti organici
Monossigenasi
Catalizzano l’incorporazione di un solo atomo di ossigeno, l’altro viene ridotto a H2O.
Il donatore di elettroni è NADH o NADPH.
Diossigenasi
Introducono entrambi gli atomi di ossigeno nel substrato organico.
La Biodegradazione degli xenobiotici?
Gli inquinanti xenobiotici sono prodotti chimici di sintesi, non prodotti da organismi in natura:
• Pesticidi
• Policlorobifenili (PCB) (fluidi dielettrici, additivi per antiparassitari, ritardanti di fiamma, vernici)
• Coloranti
• Solventi clorurati
• Plastiche
-Non vengono degradati
-Vengono degradati molto lentamente
-La biodegradazione può generare composti
a maggior tossicità, es DDT/DDE, TCE/cloruro di vinile (cancerogeno)
Pesticidi:
Ampia varietà di struttura chimica: clorurati, aromatici, composti contenenti azoto e fosforo
Possono fungere da donatori o accettori di elettroni
Declorurazione: anni
attività microbica abbastanza comune: composti
clorurati si originano anche da incendi boschivi e eruzioni
vulcaniche
-i composti altamente clorurati sono più recalcitranti
La velocità di degradazione dipende anche da:
• fattori ambientali: temperatura, pH, ossigeno
• contenuto di materia organica nel suolo: alcuni
pesticidi sono degradati solo in presenza di altri composti organici (fonte di energia): COMETABOLISMO, talvolta ha effetti negativi perché si generano altre molecole xenobiotiche
Spesso la biodegradazione prevede uno step di declorurazione, seguita generalmente da una scissione della molecola e completa mineralizzazione a CO2
1. •Declorurazione aerobica (dealogenasi, altamente specifiche) declorurazione aerobica dell’insetticida pentaclorofenolo
PLASTICHE:
Plastiche chimiche: classici esempi di xenobiotici, molte rimangono inalterate per lunghi periodi
La loro frammentazione genera microplastiche che possono essere ingerite dagli invertebrati marini!!!!
PET: polietilene tereftalato
- può essere lentamente co-metabolizzato daFusarium (fungo)
- Può essere degradato da Ideonella sakaiensis mediante idrolasi!
Plastiche microbiche: prodotte dai microrganismi e biodegradabili. Non ancora competitive a livello economico.
poli-idrossialcanoati (PHA) sintetizzati da alcuni batteri come polimeri di riserva.
Ralstonia eutropha: produce PHA ad alte rese, e specifici copolimeri possono essere ottenuti per semplici modificazioni dei terreni colturali e dei principi nutrizionali
Quali sono le Nuove sfide del biorisanamento?
Nuove sfide del biorisanamento
• Degradazione di sostanze inquinanti presenti in basse concentrazioni (prodotti farmaceutici, ingredienti attivi nelle preparazioni cosmetiche, profumi)
Co-metabolismo
• Ingegneria metabolica per ottenere ceppi “superdegradatori” SUPERBUGS
• Ingegneria genetica per ottenere piante “degradatrici”
• Uso di microrganismi in bioconversioni per ottenere composti quali etanolo, acidi organici, acetone, butanolo, amminoacidi
