Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 42

Introduzione ai trattamenti biologici: Cenni di microbiologia e cinetica biologica PowerPoint PPT Presentation


  • 66 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Introduzione ai trattamenti biologici: Cenni di microbiologia e cinetica biologica. Claudio Lubello Corso Ingegneria Sanitaria. I microrganismi. La suddivisione degli esseri viventi: classificazione filogenetica. MACRORGANISMI.

Download Presentation

Introduzione ai trattamenti biologici: Cenni di microbiologia e cinetica biologica

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica

Introduzione ai trattamenti biologici: Cenni di microbiologia e cinetica biologica

Claudio Lubello

Corso Ingegneria Sanitaria


I microrganismi

I microrganismi


La suddivisione degli esseri viventi classificazione filogenetica

La suddivisione degli esseri viventi: classificazione filogenetica

MACRORGANISMI

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.


Procarioti ed eucarioti

Procarioti ed Eucarioti

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.


Batteri

Batteri

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).  

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.


Composizione tipica dei batteri

Composizione tipica dei batteri


Alghe verdi azzurre

Alghe verdi-azzurre

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

Sono organismi fotosintetici.


Alghe

Alghe

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.

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

Colonie di Volvox


Protozoi

Protozoi

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

Funghi

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.

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.


Virus

Virus

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

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.


Metabolismo microbico

Metabolismo microbico

Percorsi metabolici e conseguente classificazione dei microrganismi


Il metabolismo dei microrganismi

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, …)


Anabolismo e catabolismo

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.


Ossido riduzione

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.


Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica

ATP

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.


Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica

ATP


Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica

ATP

Illustrazione schematica del ruolo svolto dall’ATP nel metabolismo


Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica

Schema del ruolo svolto dall’ATP nel metabolismo

Reazioni Cataboliche

Generazione di energia libera

ATP

SUBSTRATO

(Fonte di Energia)

Scambio di energia

fosforilazione

idrolisi

ADP

Reazioni Anaboliche

Consumo di energia libera

Prodotti metabolici

Sintesi della biomassa

Idrolisi ATP ATP+H2O ADP+Pi

Fosforilazione ADP ADP+Pi ATP

Metabolismo di mantenimento


Enzimi e coenzimi

Enzimie coenzimi

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


Enzimi

Enzimi

Cinetica enzimatica

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

Nutrienti


Classificazione dei microrganismi

Classificazione dei microrganismi

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

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.


Fonte di carbonio

Fontedi Carbonio

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

Autotrofi: organismi che utilizzano come fonte di carbonio la CO2


Energia

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

Chemiorganotrofi

CHEMIOTROFI

Chemiolitotrofi

FOTOTROFI


Energia1

Energia


Classificazione in funzione del ruolo dell ossigeno

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 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).


Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica

Respirazione e Fermentazione

  • 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.

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


Condizioni potenziale redox

-

-

e

e

Flussointernodi e-

Fermentazione

Respirazione

Respirazione

anaerobica

anossica

aerobica

Trasformazionedel Carbonio

C

C

C

Substrato

Substrato

Substrato

Prodotti di

CO

CO

2

2

organico

organico

organico

fermentazione

Accettore dielettroni

-

,

-

-

,

-

-

O

N

O

S

O

C

O

2

3

4

3

Ossido-Riduzioniinterne

POTENZIALE REDOX

molto

negativo

debolmente negativo

positivo

o circa zero

Condizioni potenziale redox


Classificazione processi metabolici

Classificazione processi metabolici


Definizione dei parametri cinetici

Definizione dei parametri cinetici


Velocit e tasso di crescita

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 cui

rg 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:


Velocit e tasso di respirazione endogena

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 cui

rd 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:


Velocit di crescita netta

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 cui

rd 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


Velocit di utilizzazione del substrato

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 cui

rsu 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:


Fattore di resa rendimento di crescita

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:


Esempio di calcolo del fattore di resa

Esempio di calcolo del fattore di resa

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

  • Peso molecolare del substrato CH2O = 30

  • Peso molecolare della biomassa C5H7NO2 = 113

Massa atomica C = 12 ; N = 14; H = 1; O = 16

Il fattore di resa può anche essere calcolato come:

gCOD (nella biomassa prodotta) /gCOD (nel substrato degradato)


Calcolo di y in termini di cod

Calcolo di Y in termini di COD

  • Equivalenza COD/substrato:

  • Equivalenza COD/biomassa:

  • Pertanto Y:


Tasso di crescita e concentrazione del substrato

Tasso di crescita e concentrazione del substrato

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)


Propriet della cinetica di crescita

Proprietà della cinetica di crescita


Introduzione ai trattamenti biologici cenni di microbiologia e cinetica biologica

Effetto della costante di semisaturazione

KS = 10

KS = 50

KS = 100

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.


Sostanze inibitrici dei processi di crescita

Sostanze inibitrici dei processi di crescita

Oggi le acque reflue raccolgono spesso sostanze tossiche (composti organici o metalli pesanti) che possono diventare inibitori della crescita microbica impedendo così il funzionamento dei sistemi biologici di depurazione. Tale effetto di inibizione si esplica, solitamente, superando una definita soglia di concentrazione.

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.


  • Login