Introduzione ai trattamenti biologici:

Cenni di microbiologia e cinetica biologica

Claudio LubelloCorso Ingegneria Sanitaria

11/04/23

I microrganismi

11/04/23

La suddivisione degli esseri viventi: classificazione filogenetica

11/04/23

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 i macrorganismi tutti gli altri sono quelli comunemente indicati come MICRORGANISMI.

MACRORGANISMI

Procarioti ed Eucarioti

11/04/23

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 specifica membrana. Manca la suddivisione della funzione cellulare in specifici organuli.

Cinque regni o tre domini?

I biologi in passato divedevano gli Eucarioti in 4 regni: piante, animali, funghi e i rimanenti microrganismi eucariotici, protisti. Prima dell’era della filogenesi molecolare questi 4 gruppi insieme con tutti i Procarioti costituivano i 5 regni degli organismi viventi. La suddivisione in 3 domini modifica il quadro perché dimostra che gran parte della diversità evolutiva sulla Terra risiede all’interno del mondo microbico.

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Batteri

11/04/23

In genere le cellule batteriche sono lunghe da 1 a 10 micrometri (10-3mm) e hanno sviluppato 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 organismi procarioti costituiti da una singola cellula.

Le cellule batteriche si riproducono per scissione binaria.

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

Alghe verdi-azzurre

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

Sono organismi fotosintetici.

Alghe

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Rientrano fra le alghe numerosi organismi eucariotici che contengono clorofilla e svolgono la fotosintesi. La maggior parte sono microscopiche (quelle di nostro interesse), sono presenti tuttavia organismi macroscopici di dimensione molto elevata.

Colonie di Volvox

Le alghe contengono clorofilla e si presentano di colore verde, possono assumere colori diversi (marrone o rosso) per la presenza di altri pigmenti.

Protozoi

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I protozoi sono organismi eterotrofi generalmente unicellulari, sprovvisti di una ben delimitata parete cellulare. La maggior parte è mobile. Possono essere patogeni per l’uomo o per altri animali.

Funghi

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Muffe:

Sono funghi con struttura filamentosa, caratteristici per le loro efflorescenze polverose di colore bianco-grigio, verdastro, nero. Si riproducono tramite spore che differiscono nella morfologia, nel modo in cui sono prodotte, nel colore. Le loro condizioni ottimali di pH sono di circa 5,6 con intervallo tra 2 e 9.

Lieviti:

Funghi unicellulari che vivono in habitat liquidi o umidi.

Sono organismi eterotrofi pluricellulari, caratterizzati dalla presenza di una parete cellulare e dalla produzione di spore.

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

Virus

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Il termine virus significa, “veleno” e venne usato per la prima volta per indicare particelle patogene più piccole dei batteri. Essi non possiedono molti degli attributi tipici delle cellule ed, in particolare, sono sistemi dinamici e aperti in grado di assimilare nutrienti ed espellere metaboliti.

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

I virus non sono cellule ma particelle composte da acidi nucleici (DNA o RNA) racchiusi in un involucro proteico

Legami chimici ed acqua nei sistemi viventi

11/04/23

Legami forti

Gli elementi chimici presenti negli organismi viventi sono in grado di formare legami chimici forti formando molecole in cui gli elettroni vengono condivisi tra gli atomi: si parla allora di LEGAMI COVALENTI. Tali legami possono essere multipli (doppi, tripli, …) con una forza molto maggiore al crescere del numero. La forza del legame si misura in KJ (energia necessaria per romperlo).

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Acetilene, legame triplo 805 KJ

Anidride carbonica, legame doppio 704 KJ.

Legami deboli: legame a idrogeno

Nelle molecole di interesse biologico si possono trovare legami molto più deboli come il LEGAME A IDROGENO, come per esempio avviene fra le molecole di acqua, contribuendo alla sua nota polarità.

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Altri legami deboli

VAN DER WAALS: forze attrattive deboli che si manifestano tra atomi che si trovano a distanze inferiori a 3-4 angstrom. Per esempio svolgono una funzione fondamentale nel legame substrato-enzima.

INTERAZIONE IDROFOBICHE che si producono perché in un ambiente acquoso le molecole apolari idrorepellenti tendono ad agglomerarsi.

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Macromolecole ed acqua

In una cellula microbica l’acqua è il componente principale che funge da solvente all’interno del quale sono disciolte molecole. Infatti molte molecole biologiche sono polari e quindi facilmente solubili in acqua. L’elevata polarità dell’acqua costringe le sostanze non polari ad aggregarsi. Le membrane cellulari per esempio sono costituite da molecole apolari, come i lipidi, che si aggregano impendendo la fuoriuscita della molecole polari.

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Alcune macromolecolePOLISACCARIDI. Sono polimeri costituiti da zuccheri semplici e sono

presenti prevalentemente nella parete cellulare. I polisaccaridi, come il glicoceno, possono fungere da deposito di carbonio ed energia.

LIPIDI hanno proprietà idrofobiche e rivestono un ruolo importante nella struttura della membrana e come deposito di carbonio in eccesso.

PROTEINE, polimeri di aminoacidi con ruoli strutturali ed enzimatici.DNA e RNA, acidi nucleici, macromolecole costituite da subunità dette

nucleotidi. Il DNA contiene le informazioni genetiche delle cellule, l’RNA agisce da intermediario nel convertire tali informazioni in catene aminoacidiche per la formazione delle proteine.

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Struttura e funzioni cellulari negli organismi eucariotici

11/04/23

La membrana citoplasmatica

La membrana citoplasmatica è una struttura sottile (8 nm) che circonda completamente la cellula e separa il citoplasma dall’ambiente esterno. E’ una membrana altamente selettiva in quanto permette alla cellula di concentrare al suo interno specifici composti metabolici e di espellere all’esterno sostanze di rifiuto. E’ costituito da un doppio strato fosfolipidico che in soluzione acquosa tendono a formare spontaneamente strutture a doppio strato. La membrana è stabilizzata da legami a idrogeno, da interazione idrofobiche e interazioni ioniche attraverso cationi quali Mg2+ e Ca2+. Negli Archea la membrana è differente ed è costituita da un unico strato.

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Membrana citoplasmatica

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EsternoGruppi idrofili

Gruppi idrofobici

Interno

Fosfolipidi

Molecola di Fosfolipide

Proteine integrate nella membrana

Funzione energetica della membrana

La membrana citoplasmatica è anche sede della conservazione dell’energia cellulare, infatti attraverso la sua superficie si ha la separazione dei ioni idrogeno (protoni) H+ dagli ioni idrossili OH-. Questa separazione è una forma di energia come quella di una pila carica. Lo stato energizzato della membrana (forza proton-motrice) è fondamentale per una serie di funzioni cellulari che richiedono energia.

11/04/23

Funzione delle proteine di trasporto

Le proteine permettono l’accumulo di soluti all’interno della membrana contro un gradiente di concentrazione. Se la diffusione fosse l’unico meccanismo di trasporto questa sarebbe limitata dalla presenza di basse concentrazioni di nutrienti nell’ambiente esterno. Il sistema di trasporto mostra un effetto di saturazione: se infatti la concentrazione esterna è molto elevata questa satura il trasportatore e quindi il tasso di captazione dei nutrienti raggiunto un valore massimo non aumenta ulteriormente.

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Riepilogo schematico funzioni della membrana citoplasmatica

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Parete cellulare nei procarioti

La concentrazione dei soluti all’interno della cellula sviluppa una notevole pressione che in un batterio può raggiungere le 2 atmosfere. Per sopportare questa pressione i batteri sono provvisti di parete cellulare, che conferisce forma e rigidità.

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Inclusioni cellulari

Molte cellule eucariotiche sono in grado di formare, al loro interno, inclusioni di varia natura. Usualmente sono composte da alcuni nutrienti presenti in abbondanza nell’ambiente che possono servire da sostanze di riserva in periodi di carenza nutritiva. Si tratta di per esempio: carbonio polimerico (PHB), Polifosfati, Zolfo elementare, Magnetite (Fe3O4).

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Metabolismo microbico

Percorsi 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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Metabolismo: insieme della reazioni chimiche, organizzate in sequenze che avvengono un una cellula.

Fasi metaboliche principali

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Anabolismo e Catabolismo

Le attività metaboliche seguono due percorsi metabolici diversi: - cammino anabolico (consumo di energia), che è un processo

assimilativo che comporta la sintesi dei componenti della cellula (biosintesi),

- cammino catabolico (rilascio di energia), che è un processo dissimilativo. Le sostanze assunte vengono degradate attraverso una serie di passaggi intermedi fino a prodotti 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 riduzione

Nei sistemi biologici la produzione e la conservazione dell’energia coinvolge reazioni di ossido-riduzione (redox). In queste si ha uno scambio di elettroni tra un elemento donatore che si ossida, ed un elemento accettore che si riduce.

Le reazioni redox rispetto ad altre reazioni chimiche, hanno un valore più elevato della resa di energia per mole di reagenti coinvolti.

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Nel catabolismo il donatore di elettroni spesso può anche dirsi fonte di energia. In natura esistono molto donatori potenziali di elettroni. Si faccia attenzione che il rilascio di energia avviene attraverso la reazione chimica di ossidazione.

Torre degli elettroni

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Le coppie redox sono sistemate a partire dai riducenti più forti (potenziale di riduzione negativo) in alto fino agli ossidanti (potenziali di riduzione positivo) in basso. Quando gli elettroni vengono donati dalla cima della torre , posso essere “catturati” dagli accettori ai livelli più bassi, Più in basso cadono gli elettroni maggiore è l’energia che viene rilasciata.

NAD: trasportatore di elettroni

Nella cellula, in una reazione di ossido-riduzione il trasferimento di elettroni dal donatore all’accettore coinvolge uno o più intermediari, i trasportatori. Fra i più importanti trasportatori liberi (cioè non relativi al trasporto di elettroni associati alla membrana) abbiamo i coenzimi nicotidamine adenina dinucleotide (NAD+) e il NAD-fosfato (NADP+). Sono trasportatori di atomi di idrogeno e trasferiscono due atomi di idrogeno al successivo trasportatore della catena.

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Enzimi e coenzimi

11/04/23

Gli enzimi negli organismi viventi hanno il compito di velocizzare le reazioni biochimiche che, in loro assenza, avverrebbero tempi lunghi, non compatibili

con 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 organiche dette coenzimi

Funzionamento NAD+

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Produzione di energia: sintesi di ATP

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ATP (Adenosintrifosfato): è la molecola che nel metabolismo delle cellule svolge l’importante funzione energetica di accumulare energia fornita dal catabolismo e di fornirla successivamente per le reazioni metaboliche, comportandosi come una sorta di 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 grande quantità di energia e si forma ADP (adenosindifosfato).

ATP ADP + Pi + energia

Con un meccanismo di ricarica l’energia fornita dal catabolismo viene accumulata dalla reazione inversa.

ADP + Pi + energia ATP

È opportuno evidenziare l’importanza del fosforo che deve essere sempre presente per garantire lo svolgimento delle reazioni metaboliche.

ATP

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Energia rilasciata per il metaboliemo cellulare

Gruppi Fosfato

Gruppi Fosfato

Ribosio

Ribosio

Adenina

Adenina

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ATPATP

ADPADP

Reazioni CatabolicheGenerazione di energia libera

Prodotti metaboliciProdotti metaboliciReazioni AnabolicheConsumo di energia libera

Sintesi della biomassaSintesi della biomassa

Metabolismo di mantenimento

Metabolismo di mantenimento

Idrolisi ATP ATP+H2O ADP+Pi

Fosforilazione ADP ADP+Pi ATP

Scambio di energiaScambio

di energia

Schema del ruolo svolto dall’ATP

Cinetica enzimatica

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La velocità della reazione globale aumenta proporzionalmente alla concentrazione del substrato e quindi del complesso E-S. Come si può notare dalla figura, questo incremento decresce sino al raggiungimento di un plateau in cui la concentrazione di S è così elevata da mantenere sempre saturo l’enzima; in queste condizioni la velocità di reazione per unità di enzimi (o batteri), V/E, è massima e pari a k.La relazione tra concentrazione di substrato e la velocità è stata studiata da Michaelis- Menten

Nutrienti

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Elementi Funzione Forma più comune in natura

Carbonio Principali elementi materiale cellulare

CO2, composti organici

Azoto Principali elementi materiale cellulare

NH4+, NH3, NO3

-, N2, composti organici azotati

Idrogeno Principali elementi materiale cellulare

H2O, composti organici

Ossigeno Principali elementi materiale cellulare

H2O, O2, composti organici

Fosforo Acidi nucleici, nucleotidi, fosfolipidi

PO43-

Zolfo Costituente aminoacidi H2S, SO42-, comp. organici, metalli solfati

Potassio Catione inorganico K + in soluzione o Sali di potassio

Magnesio Cofattore, pareti cellulari, membrane, ribosomi

Mg2+ in soluzione o Sali di magnesio

Sodio Traposto Na+ in soluzione o Sali di sodio

Calcio Esoenzimi e pareti cellulari Ca2+ in soluzione o Sali di calcio

Ferro Citocromi, cofattore, proteine Fe2+ o Fe3+ in soluzione o come Sali di Ferro

Classificazione metabolica dei microrganismi

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SORGENTE DI CARBONIO: viene convertito in materiale cellulare (protoplasma)

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

ACCETTORE DI ELETTRONI: alimenta la semireazione di riduzione nel cammino catabolico.

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

Fonte di Carbonio

Eterotrofi: organismi che utilizzano come fonte il carbonio contenuto nei composti organici

Autotrofi: organismi che utilizzano come fonte di carbonio la CO2

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Energia

Le cellule richiedono energia per le attività di sintesi e di mantenimento. L’energia può essere ottenuta da tre fonti diverse:

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

quelli che invece usano l’energia chimica sono definiti CHEMIOTROFI.

- Composti chimici organici

- Composti chimici inorganici

- Luce

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CHEMIOTROFI

FOTOTROFI

Chemiorganotrofi

Chemiolitotrofi

Contenuto energetico di alcune famiglie di composti

Molecole Energia

Carboidrati 4 calorie per mg

Lipidi 9 calorie per mg

Proteine 4 calorie per mg

Gruppi nutrizionali: riepilogo

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Classificazione in funzione del ruolo dell’ossigeno I diversi tipi di metabolismo possono essere distinti sulla base delle modalità

con le quali viene prodotta l’energia necessaria per le funzioni vitali. In particolare sulla necessità o meno dell’ossigeno come accettore finale delle reazioni di ossido-riduzione.

Metabolismo aerobico quando l’ossigeno funge da accettore finale degli elettroni (i microrganismi che sfruttano questo metabolismo sono detti AEROBICI)

Metabolismo anaerobico quando viene utilizzato un accettore finale di elettroni diverso dall’ossigeno (i microrganismi sono detti ANAEROBICI).

Un caso particolare di metabolismo anaerobico è quello in cui gli accettori finali di elettroni siano i nitriti e/o i nitrati. Si parla in questo caso, NEL LINGUAGGIO INGEGNERISTICO, di Metabolismo anossico (spesso svolto da microrganismi FACOLTATIVI, che cioè in presenza di ossigeno usano questo come accettore ed in sua assenza nitriti e nitrati).

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• Respirazione: ossigeno molecolare o altro composto inorganico come accettore di e-. Il substrato organico viene ossidato a CO2.

• Fermentazione: assenza di un accettore di e- esterno. Vengono utilizzati gli stessi composti organici donatori. In pratica la fermentazione è una reazione di ossido-riduzione equilibrata internamente in cui alcuni atomi della fonte energetica (donatore di elettroni) divengono più ridotti, mentre altri divengono più ossidati.

La fermentazione è caratterizzata in termini energetici da una resa inferiore alla respirazione (minore velocità di crescita ed inferiori rendimenti di sintesi)

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Respirazione e Fermentazione

Condizioni potenziale redox

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CO2

Substrato

organico

C

N O 3- , S O 4

- - , C O 3- -

Respirazione

anossica

O 2

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-

Classificazione di alcuni processi metabolici di interesse ingegneristico

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Tipo Reazione Fonte C Donatore e- Accettore e- ProdottiAerobico eterotrofo

Respirazione Aerobica

Composti Organici

Composti Organici

O2 CO2, H2O

Aerobico autotrorfo

Nitrificazione CO2 NH4+, NO2

- O2 NO2-, NO3

-

Aerobico autotr. Ossidazione Ferro CO2 Fe (II) O2 Fe (III)

Aerobico autotr. Ossidazione Solfuri CO2 H2S O2 SO42-

FacololtativoEterototrofo

Denetrificazione Anossica

Composti Organici

Composti Organici

NO2-, NO3

- N2, CO2, H2O

Anaeraerobico Eterotrofo

FermentazioneAcida

Composti Organici

Composti Organici

Composti organici VFA

Anaerobico Eterotrofo

Riduzione FerroComposti Organici

Composti Organici Fe (III)

Fe(II), CO2, H2O

Anaerobico Eterotrofo

Riduzione SolfatiComposti Organici

Composti Organici

SO42- H2S, CO2, H2O

Anaerobico Eterotrofo

MetanogenesiComposti Organici

Acidi Grassi Volatili (VFA)

CO2 Metano

Ciclo di crescita di una popolazione batterica

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Curva di crescita di una popolazione coltivata in un reattore batch su un terreno di coltura.

Andamento concentrazione substrato di crescita

Fasi di crescita

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FASE DI LATENZA. All’inizio le cellule mancano di una serie di elementi necessari alla crescita, in primo luogo coenzimi, che devono essere risintetizzati.

FASE ESPONENZIALE. Ogni cellula si divide per formare due nuove cellule figlie capaci, a loro volta, di duplicarsi e così via. A influenzare la velocità di duplicazione concorrono molti parametri, alcuni genetici, altri ambientali.

FASE STAZIONARIA. L’esaurimento di nutrienti del terreno di coltura o l’accumulo di composti di scarto inibitori determina condizioni tali che la crescita di nuove cellule (crescita criptica) sia bilanciata dalla morte di altre. Visibilmente non si ha né aumento, né diminuzione della popolazione batterica.

FASE DI MORTE (ENDOGENA). In questa fase prevale la morte della popolazione rispetto allo sviluppo di nuove cellule. Sono frequenti fenomeni di lisi cellulare.

Effetti ambientali sulla crescita microbica

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Effetto della Temperatura

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Temperatura

Vel

ocità

di c

resc

ita

MinimumMaximum

OptimumLe reazioni enzimatiche avvengono a velocità sempre maggiori

Le reazioni enzimatiche avvengono alla massima velocità possibile

Gelificazione delle membrane processi di trasporto così lenti da impedire la crescita

Denaturazione delle proteine; collasso della membrana; lisi termica

A titolo di esempio. E.Coli: optimum 39 °C, Max 48°C, Min 8°C.

Classificazione dei microrganismi

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In funzione della temperatura ottimale di crescita i microrganismi possono essere suddivisi in quattro gruppi principali, indicati nella figura. Gli ipertermofili si trovano in habitat estremamente caldi come le sorgenti termali.

Effetto del pH

Ogni organismo cresce all’interno di un intervallo ottimale di pH. Soltanto poche specie riescono a vivere con pH inferiore a 2 o superiore a 10. I funghi sono in generale più acido-tolleranti dei batteri. Il componente in grado di conferire al microrganismo le caratteristiche di acidofilo è la membrana citoplasmatica. In ogni caso il pH all’interno della cellula deve essere prossimo alla neutralità.

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Concentrazione dell’ossigeno

Il bisogno, la tolleranza o la sensibilità al’ossigeno molecolare (O2) varia notevolmente fra i microrganismi. Gli Aerobici usano l’ossigeno e ciò potrebbe essere una condizione necessaria (AEROBICI OBBLIGATI). In alcuni casi possono vivere in assenza di ossigeno (FACOLTATIVI) seguendo altri percorsi metabolici. In alcuni casi hanno bisogno di ossigeno ma in concentrazioni molto basse (MICROAEROFILICI). Gli anaerobici non usano l’ossigeno, ma possono tollerarlo (AEROTOLLERANTI) o no (ANAEROBICI OBBLIGATI).

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Cinetica e stechiometria dei processi di crescita

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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 seguente relazione:

in cuirg 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 alla concentrazione X della biomassa si introduce il tasso di crescita:

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dt

dXrg

dt

dX

X

1

Velocità e tasso di respirazione endogena

L’attività di respirazione endogena corrisponde all’utilizzo come fonte di carbonio ed energia lo stesso materiale cellulare. Tale fase è sempre presente in contemporanea con la crescita cellulare. Diventa l’attività prevalente quando il substrato è esaurito.

La velocità (rateo) di respirazione endogena dei batteri è definita dalla seguente reazione:

in cuird 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:

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dt

dXrd

dt

dX

Xkd

1

Velocità di crescita netta

La velocità di crescita netta è data dalla differenza fra quella di crescita e quella endogena (che comporta un consumo del materiale cellulare).

r’g = rg - rd in cuird 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 crescita netta:

’ = - 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 il substrato:

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:

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dt

dSrsu

dt

dS

XU

1

Fattore di resa (rendimento di crescita)

Una parte del substrato è convertito in prodotti inorganici ed organici finali mentre un’altra parte porta alla formazione di nuove cellule. La successiva relazione mette in relazione il tasso di utilizzazione del substrato (rsu massa/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 della

respirazione endogena è utile introdurre il fattore di resa osservato Yobs:

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Xdt

dXessendo

Y

X

dt

dS

dtdS

dtdX

r

rY

su

g 1

/

/

su

gobs r

rY

'

dt

dXrg

dt

dSrsu

Esempio di calcolo del fattore di resa mediante la stechiometria della reazione

Calcoliamo Y nel caso di un substrato noto (p.es. formaldeide CH2O)

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8 CH2Osubstrato

3O2 NH3 C5H7NO2

biomassa

3CO2 6H2O

Y

BiomassaprodottaSubstratoconsumato

C5H7NO2

8CH2O

113830

0.47gSSV/ gsubstrato Y

BiomassaprodottaSubstratoconsumato

C5H7NO2

8CH2O

113830

0.47gSSV/ gsubstrato

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

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

3222275 255 NHOHCOONOHC

gCOD

gCOD

gsubstrato

gSSV

substrato

biomassaY 63,0

06,1

42,147,047,0

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8 CH2O 8O2 8CO2 8H2O

f COD

8O2

8CH2O

832830

1.06gCOD/ gsubstrato

Equivalenza COD/biomassa:

f X

5O2

C5H7NO2

532113

1.42gCODcell/ gbiomassa

Pertanto Y:

Funzione di saturazione per la rappresentazione di crescita e consumo

Una relazione empirica della relazione esistente fra il tasso di crescita della biomassa e la concentrazione di substrato, largamente utilizzata nella pratica, è quella ricavata da Monod derivata dalla cinetica enzimatica di Michelis-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. Ks rappresenta 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 = max (cinetica di ordine zero)Per S<< Ks = maxS/Ks (cinetica di ordine uno)

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SK

S

S max

SK

kSX

SK

SX

Yr

SSsu

max

Proprietà della cinetica di crescita

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Si tratta quindi si una “funzione di saturazione”: al crescere del substrato disponibile la velocità aumenta fino ad uno suo massimo. In presenza di più nutrienti limitanti (p.es Substrato carbonioso e Ossigeno) si ottiene il valore totale della cinetica moltiplicando ciascuna funzione di saturazione.

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All’aumentare del substrato disponibile il tasso di crescita aumenta fino ad un valore massimo. Si noti come in presenza di alti valori di Ks il rateo massimo di crescita si ottiene per valori più elevati dalla concentrazione del substrato, mentre con 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)

Ra

teo

di

cre

sc

ita

(1

/d) KS = 100

KS = 10

KS = 50

Effetto della costante di semisaturazione

Sostanze inibitrici dei processi di crescita

La presenza di sostanze tossiche (composti organici o metalli pesanti) può determinare l’inibizione della crescita microbica. Tale effetto di inibizione si esplica, solitamente, superando una definita soglia di concentrazione nell’acqua in cui sono presenti i microrganismi.

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. 1 mg/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.

11/04/23

Funzioni di inibizione

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In presenza di una sostanza inibitrice il suo effetto su una comunità microbica può essere numericamente espresso da una funzione di saturazione (come abbiamo visto per la funzione di crescita introdotta da Monod) che andrà a moltiplicare la cinetica (velocità di crescita o la velocità di consumo del substrato).

Una delle funzioni di inibizione più frequentemente utilizzata è la seguente:

II

II SK

KI

In cui:

KI è la costante di mezza saturazione della sostanza inibitrice [M/L3]SI è la concentrazione della sostanza inibitrice [M/L3]