Il metabolismo dell’azoto e i microrganismi coinvolti

L’azoto non è solo l’elemento più abbondante nell’atmosfera, ma rappresenta anche un fondamentale elemento nelle macromolecole della cellula come le proteine e gli acidi nucleici. Il ciclo dell’azoto è un ciclo prevalentemente gassoso, a controllo essenzialmente biologico, nel quale l’azoto è convertito dalla sua forma inerte, che è nella forma molecolare (N2) di cui l’atmosfera è molto ricca, in forme utili ai processi biologici.

L’atomo di azoto può entrare a far parte di numerose molecole in vari stati di ossidazione:

- NO3 ¯ n. ox +5 azoto nitrico - NO2 ¯ n. ox +3 azoto nitroso - N2 n. ox 0 azoto elementare - NH3 n. ox -3 azoto ammoniacale - --NH2 n. ox +3 azoto amminico

Come mostrato in Figura 9.3, l’utilizzazione dell’azoto in natura è un processo ciclico che prevede diverse tappe:

• fissazione dell’azoto con incorporazione dell’ammoniaca prodotta in molecole organiche;

• ammonificazione, che è la degradazione della materia organica azotata ad opera di decompositori (restituisce l’ammoniaca all’ambiente);

• nitrificazione: ossidazione dell’ammoniaca a nitrito e nitrato;

• riduzione assimilativa del nitrato;

• denitrificazione: riduzione del nitrato a nitrito e azoto molecolare.

Il ciclo biogeochimico dell’azoto è svolto in gran parte da microrganismi e alcuni passaggi, come la fissazione dell’azoto elementare e la denitrificazione, sono compiuti solo da microrganismi.

La fissazione biologica dell’azoto è svolta solo da procarioti, appartenenti a diversi generi di Bacteria e Archea. I fissatori di azoto operano liberi nell’ambiente o associati a piante o ad altri microrganismi in simbiosi come quelle fra i rizobi e le piante leguminose; fra gli attinomiceti e le piante non leguminose, fra i cianobatteri e i funghi (nei licheni) ecc. Fissano azoto a vita libera, in ambienti acquatici, nei suoli e nei sedimenti, batteri sia aerobi che anaerobi: Azotobacter e Beijerinckia; i fotosintetizzanti Figura 9.3

Il ciclo dell’azoto. Mostra la distribuzione dell’azoto nelle varie sue forme, all’interno dei comparti terrestri-acquatici e dell’atmosfera e in relazione alla popolazione microbica presente.

come Chromatium, Rhodospirillum, Rhodopseudomonas, Chlorobium; Gram-positivi come Bacillus e Clostridium e molti attinomiceti, Gram-negativi, come Azospirillum, Desulfovibrio, Pseudomonas, Vibrio e Thiobacillus. In ambienti acquatici i principali fissatori di azoto sono i cianobatteri, come i generi filamentosi che formano eterocisti:

Anabaena, Aphanizomenon, Nostoc, Cylindrospermum, Calotrix, Scytonema, Tolypothrix. Fissano l’azoto anche i generi non eterocistati Oscillatoria, Microcoleus e Lyngbya.

I microrganismi fissatori dell’azoto ne trasformano la forma elementare in ammonio o ammoniaca che viene direttamente usato dal microrganismo stesso, e dagli eventuali organismi simbionti, in un processo molto importante del ciclo dell’azoto detto assimilazione dell’ammoniaca.

Tutta le piante, gli animali e i microrganismi sono in grado di convertire l’azoto organico in ammonio. In tutti gli esseri viventi la forma di azoto prevalente è quella ridotta. Gli animali trasformano l’azoto delle proteine e degli acidi nucleici nel loro metabolismo producendo come scarto, a seconda dell’animale, ammoniaca, urea o acido urico. Urea e acido urico possono essere fonte di azoto per microrganismi dotati di ureasi o uricasi: le prime attaccano l’urea liberando ammoniaca e CO2, le seconde agiscono sull’acido urico. Molti batteri sia aerobi che anaerobi come Aerobacter, Pseudomonas, Bacillus, Serratia, Klebsiella e Clostridium possiedono uricasi.

Microrganismi nel suolo dotati di proteasi e peptidasi, sono in grado di idrolizzare le proteine degli organismi morti e, per successiva deaminazione degli amminoacidi, liberare ammoniaca. Inoltre, in anaerobiosi e in ambiente acido alcuni microrganismi sintetizzano decarbossilasi i cui prodotti di degradazione degli amminoacidi sono CO2 e ammine primarie maleodoranti (putrefazione).

In ambienti ben aerati, gli ioni ammonio che si liberano durante la mineralizzazione della sostanza organica, sono ossidati a NO3 ¯, in breve tempo, mediante i processi di nitrificazione. La nitrificazione ha luogo in ambienti sufficientemente ossigenati, a pH neutro, grazie all’attività di due gruppi distinti di batteri aerobi chemioautotrofi, ampiamente diffusi nei suoli e nelle acque, che utilizzano ammonio e nitriti come donatori di elettroni nel loro metabolismo energetico e assimilano CO2 come fonte di carbonio. I batteri ammonio-ossidanti, come Nitrosomonas, ossidano l’ammoniaca a nitrito, i batteri nitrito-ossidanti, come Nitrobacter, ossidano i nitriti a nitrati. Anche se sono compiute da microrganismi diversi, le due reazioni sono strettamente accoppiate e raramente si verificano accumuli di nitriti nell’ambiente.

Esiste anche un processo di ossidazione anaerobia dell’ammonio. I batteri che svolgono tale processo sono chiamati anammox (anaerobic ammonium oxidation) e a partire da ammoniaca ottengono azoto molecolare. Un microrganismo in grado di condurre il processo anammox è Brocardia anammoxidans, appartenente al phylum Plantomycetes del domino dei Bacteria.

La maggior parte dell’azoto nitrico che si trova in natura deriva dall’ossidazione dell’ammoniaca operata dai batteri ammonio ossidanti (AOB) e archeobatteri ammonio ossidanti (AOA) [Könneke et al, 2005]. Gli ioni nitrato possono essere assimilati da numerosi organismi e microrganismi (batteri, funghi e alghe) attraverso il processo di riduzione assimilativa del nitrato.

In ambiente anaerobio, e quindi in mancanza di ossigeno per l’attività respiratoria, gli ioni nitrato possono fungere da accettori terminali di elettroni della catena di trasporto nel processo di riduzione dissimilativa o denitrificazione, nella quale il nitrato è convertito a diversi prodotti finali più ridotti (a seconda del microrganismo che svolge il processo) e la sostanza organica è ossidata. Esistono due tipi di riduzione dissimilativa del nitrato: molti batteri anaerobi facoltativi come Alcaligenes, Escherichia, Aeromonas, Enterobacter, Bacillus, Flavobacterium, Nocardia, Spirillum, Staphylococcus e Vibrio riducono, con una nitrato riduttasi di membrana, il nitrato a nitrito, che poi viene escreto; altri, come Paracoccus denitrificans e alcune Pseudomonas, svolgono la reazione che porta alla produzione di azoto molecolare. Quest’ultima è la denitrificazione propriamente detta.

Figura 9.4

Schema riassuntivo delle reazioni chimiche che coinvolgono l’azoto, nei vari stadi di ossidazione dell’elemento, in aerobiosi e anaerobiosi.

Il nitrato può essere anche ridotto a nitrito e il nitrito ulteriormente ridotto ad ammonio in un processo definito ammonificazione microbica o DNRA (riduzione anaerobica dei nitrati a ioni ammonio, Figura 9.4), condotto soprattutto da batteri fermentanti anaerobi obbligati come quelli appartenenti al genere Clostridium [Sanangelantoni, 2008].

9.3 Perché studiare la flora microbica di sedimenti di sistemi fluviali eutrofici, in