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INDICE
• Sergei Winogradsky e altri scienziati a lui correlati pagina 2
• Introduzione pagina 4
• La biodiversità pagina 5
• Materiali pagina 7
• Allestimento della colonna pagina 8
• Studio approfondito dei diversi microrganismi sviluppatesi nella colonna pagina 17
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3 Petersburg State University e ha studiato con esperti russi quali Lev Semionovich Tsenkovsky. Nel 1861, ha proseguito la carriera scientifica come insegnante presso la alma mater e diviene professore (1867‐1889). Nel 1890 Famintzyn ha fondato e diretto il Laboratorio di Anatomia e Fisiologia delle piante dell'Accademia delle Scienze. Famintsyn è considerato il padre fondatore della scuola di fisiologia vegetale in San Pietroburgo. Nel 1887 ha scritto il primo libro di testo russo sulla fisiologia vegetale. Le sue opere principali sono stati dedicati alla fotosintesi ed al metabolismo della pianta. Egli fu il primo ad utilizzare la luce artificiale per la coltivazione delle piante volte alla ricerca (1868). Famintsyn ha mostrato che la conversione di anidride carbonica da parte delle piante e la formazione di amido può verificarsi in presenza di illuminazione artificiale.
Insieme a O. Baranetsky egli fu il primo a separare le cellule di alghe verdi di licheni. Famintzyn ha anche studiato e scoperto alcuni fenomeni di simbiosi delle alghe. Tra il 1906 ed il 1909, è stato il presidente della Società Economica per scopi scientifici. Nel 1915 Famintzyn viene eletto presidente onorario della Società Botanica Russa.
Nikolaj Menšutkin Andrei Famintzyn
4
INTRODUZIONE
La colonna di Winogradsky è un sistema riproducibile in laboratorio per coltivare una grande varietà di microrganismi. È possibile realizzare la colonna con semplici materiali e lasciarla alla luce del sole per diverse settimane, si svilupperanno così gradienti aerobici/anaerobici e un gradiente con zolfo producendo la crescita di microrganismi quali PROTISTI, DIATOMEE, CIANOBATTERI, THIOBACILLUS, BEGGIATOA, RHODOSPIRILLUM, CHROMATIUM, CHLOROBIUM, DESULFOVIBRIO, CLOSTRIDIUM.
Gli alunni realizzano la colonna in laboratorio perché questa rappresenta un sistema complesso di biodiversità del nostro mondo poiché usa le condizioni per espandere processi naturali descrivendo l’ecosistema microbico.
5
BIODIVERSITA'
La biodiversità indica una misura della varietà di specie animali e vegetali nella biosfera; essa è il risultato di lunghi processi evolutivi. L'evoluzione è il meccanismo che da oltre tre miliardi di anni permette alla vita di adattarsi al variare delle condizioni sulla terra e che deve continuare a operare perché questa possa ancora ospitare forme di vita in futuro. La diversità della vita sulla terra è costituita dall'insieme degli esseri viventi che popolano il Pianeta. Questa diversità prende il nome di BIODIVERSITA', dall'inglese BIODIVERSITY, tale termine può essere tradotto "varietà della vita". La biodiversità è intesa non solo come il risultato dei processi evolutivi, ma anche come il serbatoio da cui attinge l'evoluzione per attuare tutte le modificazioni genetiche e morfologiche che originano nuove specie viventi. La biodiversità si può considerare almeno in tre livelli diversi:
‐ a livello di geni in una specie (o popolazione)
‐ a livello di specie
‐ a livello di ecosistemi.
Le caratteristiche morfologiche, ovvero tutte le caratteristiche visibili degli esseri viventi come ad esempio il colore degli occhi e dei capelli dell'uomo, il colore del pelo dei gatti, sono esempi della varietà che esiste a livello di geni all'interno di ogni singola specie. La varietà di specie di farfalle che frequentano il nostro giardino, l'incredibile numero di fiori diversi che possono essere trovati in un campo sono esempi della biodiversità a livello di specie. Infine, la varietà di ambienti in una determinata area naturale è l'espressione della biodiversità a livello di ecosistemi.
La terra è popolata da numerosi esseri viventi, animali e vegetali che non conosciamo: oggi sono state classificate appena un milione di specie, mentre le stime elaborate dai biologi vanno dai 5 ai 10 milioni. Diventa, quindi, ancora più urgente e importante occuparsi della conservazione di specie e ambienti che rischiano di sparire per sempre a causa dell'uomo, ancora prima di essere scoperti. E' noto che alcuni biomi risultano più importanti rispetto ad altri in termini di ricchezza di specie: le barriere coralline, gli estuari dei fiumi e le foreste tropicali che accolgono oltre la metà degli esseri viventi, pur ricoprendo il 6% della superficie terrestre, sono i più importanti. Perché la diversità nell'ambito di una comunità biologica possa essere considerata una risorsa deve essere caratterizzata da un adeguato numero di specie, da un'alta valenza ecologica e da un legame con le condizioni ambientali. Inoltre è necessaria un'uniforme e approfondita conoscenza dei dati di base e la disponibilità di dati recenti.
La biodiversità è l'assicurazione sulla vita del nostro pianeta. Quindi la conservazione della biodiversità deve essere perseguita senza limiti poiché essa costituisce un patrimonio universale, che può offrire vantaggi immediati per l'uomo:
‐ mantenimento degli equilibri climatici sia a scala locale che planetaria; infatti le specie vegetali oltre ad essere l'unica fonte di ossigeno sul nostro Pianeta, hanno anche un ruolo fondamentale negli equilibri idrici e in quelli gassosi.
‐ fonte di materiale di studio: lo studio della Biodiversità permette di avere fondamentali conoscenze anche per comprendere meccanismi biologici analoghi nell'uomo.
‐ uso sostenibile della flora per fini alimentari e medicinali: per quanto riguarda l'uso della flora per l'alimentazione c'è da dire che oggi viene sfruttata solo una minima parte delle infinite possibilità alimentari fornite dalle piante. Invece utilizzando meglio tali risorse si potrebbero soddisfare i problemi di nutrizione in molte parti del mondo, senza alterare equilibri essenziali per l'ambiente.
‐ soddisfacimento della richiesta sempre crescente di spazi naturali: l'istituzione di aree protette per un turismo eco‐compatibile, può soddisfare la richiesta crescente di spazi per effettuare attività come l'escursionismo e il birdwatching.
6 Riguardo ai fini medicinali dell'uso della flora invece c'è il rischio di perdere, prima ancora di scoprirle, piante che forniscono sostanze necessarie nella lotta contro patologie come il cancro e la leucemia.
7
MATERIALI E METODI
• Una bottiglia di plastica o un contenitore in vetro cilindrico.
• Guscio d’uovo poiché è fonte di Carbonio inorganico (CaCO3).
• Cellulosa e fieno.
• Una fonte di Zolfo (S).
• Suolo idrico (fango di stagno, lago, fiume).
• L’acqua delle medesime fonti del sedimento.
8
Allestimento della colonna di Winogradsky
Raccolta del campione‐
acqua
Raccolta del
campione‐fango
9
I gusci d’uovo vengono frantumati con il mortaio perché sono fonte di
carbonato di calcio.
10
Dal campione di fango vengono rimossi detriti quali legnetti e sassolini.
11
Si aggiunge una fonte di cellulosa
perché molti dei microrganismi ottenuti in colonna sono in grado di degradarle, per esempio i clostridium che crescono in scarse condizioni di ossigeno. Le cellule dei clostridi muoiono in
presenza di grandi quantità di ossigeno, ma producono spore che tollerano benissimo le condizioni aerobiche.
Degradando la cellulosa in glucosio e fermentandolo, i microrganismi ottengono energia e producono una vasta ma semplice gamma di prodotti organici ( per esempio acido acetico, metanolo…).
La carta e il fieno,fonti di cellulosa,vengono
tagliati in piccoli pezzi.
12
Si pesano il guscio d’uovo e il
solfato di calcio.
13
La miscela fangosa e gli altri costituenti devono essere mescolati per ottenere una consistenza uniforme.
Successivamente viene trasferita all’interno della colonna.
14
Coprire tutto con l’acqua proveniente dal sedimento.
15
La colonna viene esposta alla luce solare che utilizza come fonte di energia. Dopo poco tempo si hanno delle
variazioni cromatiche
continue sia sul terreno che sull’acqua,ogni colore è legato a un processo chimico e /o biologico.
Esporre alla luce ed esaminare la colonna settimanalmente.
16 Dopo circa sei settimane la colonna si stabilizza in tre zone distinte sviluppando comunità di batteri specifici ciascuno per esigenze ambientali.
Zona aerobica:
la parte superiore che contiene principalmente H2o contiene quindi popolazioni di diversi batteri e protisti. In questa zona si trovano gli stessi microrganismi che sono nelle acque dolci poco profonde (tipo stagno) e corsi di acqua inquinati. Nella parte superiore della zona di fango c’è presenza di ossigeno, questa zona appare di un marrone chiaro e luminoso dovuto alla presenza degli ossidi di ferro che precipitano. Immediatamente al di sotto si trova una zona di colore verde dovuta ad organismi fotosintetici come i ciano batteri. Nella zona sottostante vi è produzione di H2S da parte di microrganismi anaerobici, vi sono anche batteri ossidanti quali BEGGIATOA E THIOBACILLUS. Questi batteri sono chemio autotrofi e prendono energia dall’ossidazione dello zolfo e posso sintetizzare anche composti organici. La diffusione di H2S dai sedimenti nella parte bassa della colonna consente ai batteri fotosintetici anaerobi di crescere dal basso verso l’alto.
Questo fenomeno è visibile perché si formano bande colorate verdi/verdi oliva/porpora.
Qui si trovano batteri come il CHLOROBIUM e il RHODOSPIRILIUM.
Nello strato più inferiore della colonna è possibile individuare zone viola‐rosse dovute a CHROMATIUM. Nello strato più profondo vi sono microrganismi anaerobi obbligati come il DESULFOVIBRIO.
17
STUDIO APPROFONDITO DEI DIVERSI MICRORGANISMI SVILUPPATESI NELLA COLONNA
PROTISTI
I protisti (o protoctisti) sono un gruppo eterogeneo di organismi, che comprendono quegli eucarioti che non sono considerati né animali né piante o funghi. Haeckel propose di inserire questi organismi nel regno Protista. Codesti microrganismi hanno un'organizzazione abbastanza semplice (unicellulare o multicellulare senza tessuti altamente specializzati
18
DIATOMEE
Le diatomee sono alghe unicellulari non flagellate, comparse nel Cretaceo, le diatomee sono provviste di una caratteristica parete, detta frustulo, costituito da silice e componenti organiche. Il frustulo è formato da due teche, di cui quella superiore (epiteca) è più grande e ricopre quella inferiore (ipoteca) come il coperchio di una scatola. Ognuna delle due teche è formata da una parte appiattita più o meno bombata o depressa, detta valva, e da una parte laterale, detta cingolo.
Sulla faccia valvare sono presenti perforazioni (areole, pori) ed elevazioni o processi la cui struttura e posizione sono importanti caratteri sistematici. In alcuni gruppi di diatomee pennate è presente il cosiddetto rafe, una fessura longitudinale che attraversa la faccia valvare in posizione centrale o eccentrica.
Le diatomee si riproducono abitualmente per via vegetativa. Dopo la divisione mitotica ciascuna delle cellule figlie eredita una delle emiteche materne. Quindi la nuova emiteca viene formata internamente alla teca materna. Di conseguenza, una delle due cellule avrà taglia inferiore e con il tempo si avrà una diminuzione della taglia media della popolazione.
19
CIANOBATTERI
I ciano batteri Sono organismi procarioti, fotoautotrofi, hanno una parete di tipo Gram negativo, sono sempre unicellulari e possono vivere come cellule singole o riuniti in colonie di forme diverse da tondeggianti a filamentose. In alcune specie è presente una differenziazione morfologica:
possono essere presenti delle cellule specializzate a parete spessa ed usualmente di dimensioni maggiori chiamate eterocisti: sono la sede del processo di fissazione dell'azoto atmosferico e se in posizione basale servono per l'adesione al substrato.
RHODOSPIRILLUM
Il rhodospirillum è un batterio non‐solfureo in grado di svilupparsi aereo bioticamente o anaereobicamente.
Il rhodospirillum è un batterio GRAM‐ che in condizioni anaereobiotiche utilizza la fermentazione o la fotosintesi per il suo sostentamento.
20
THIOBACILLUS
I Thiobacillus sono un genere appartenente alla famiglia delle Hydrogenophilaceae e sono Gram‐
negativi.
I batteri thiobacillus sono in genere piccole cellule bastoncellari, dotate di un unico flagello che ne permette la mobilità es. Thiobacillus denitrificans) ma possono essere anche filamentosi (Thiobacillus ferrooxidans). Sono batteri chemioautotrofi che ricavano il carbonio da CO2. La principale caratteristica di questo gruppo di batteri è quella di ossidare lo zolfo inorganico ottenendo energia per il loro metabolismo. I Thiobacillus sono utilizzati nel controllo dei parassiti, come quelli nelle patate. Se l'area interessata è trattata con lo zolfo, le specie di Thiobacillus ossidano lo zolfo in acido solforico, sostanza che distrugge i parassiti. Tuttavia, questi batteri possono contribuire alla formazione di piogge acide attraverso l'ossidazione del biossido di zolfo ad acido solforico.Sono presenti in acque marine, nel fango marino, nel suolo, nell’acqua dolce, nelle acque di rifiuto, nelle sorgenti sulfuree.
CHROMATIUM
Il chromatium è un batterio GRAM‐ che utilizza l’ammoniaca come fonte di azoto
21
CHLOROBIUM
Il genere Chlorobium, conosciuto anche come Chlorochromatium, comprende batteri appartenenti alla famiglia dei batteri sulfurei verdi, Chlorobiaceae.
Le specie di Chlorobium presentano un colore verde scuro; in una colonna di Vinogradskij, lo strato di verde, spesso osservato è composto da colonie di Chlorobium. Questo genere vive in condizioni rigorosamente anaerobiche sotto la superficie di un corpo d'acqua, comunemente la zona anaerobica di un lago eutrofico.
DESULFOVIBRIO
Il genere Desulfovibrio comprende batteri Gram‐negativi solfo‐riduttori appartenenti alla famiglia
delle Desulfovibrionaceae.
Sono batteri con forma di bastoncini curvi, mobili per mezzo di flagelli.
Come altri batteri solfo‐riduttori, Desulfovibrio è stata a lungo considerato un genere anaerobo obbligato; questo non è strettamente vero: mentre la crescita può essere limitata, questi batteri possono sopravvivere in ambienti ricchi di ossigeno, sono cioè aerotolleranti.
Producono energia mediante respirazione anaerobica riducendo i solfati o altri composti dello zolfo a H2S.Il più importante donatore di elettroneè l'idrogeno mentre gli accettori di elettrone sono lo zolfo elementareo i composti dello zolfo quali il solfato (SO42‐
) e il tiosolfato (S2032‐
).
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CLOSTRIDIUM
Il genere Clostridium comprende bacilli anaerobi obbligati, gram positivi, in grado di formare spore se le condizioni ambientali sono avverse
Sono organismi ubiquitari, è cioè possibile isolarli nel suolo, in acqua, negli scarichi fognari, e costituiscono la normale flora batterica del tratto gastrointestinale degli animali e dell'uomo.
Alcune specie sono patogene per la produzione di tossine, tra queste vi sono gli agenti eziologici del tetano, del botulismo e della gangrena gassosa.
Sono privi di citocromi e sono sia catalasi che perossidasi negative (cioè non possiedono questi enzimi); infatti in presenza di acqua ossigenata muoiono per via dell'ossigeno che si libera in quanto incapaci di decomporre la molecola in acqua e ossigeno. Questa caratteristica viene sfruttata per disinfettare le parti infette colpite da Clostridium.
Essendo anaerobi, se coltivati in ambienti a basso potere redox, cioè con scarsa concentrazione di ossigeno, sono estremamente attivi dal punto di vista fermentativo, attaccando sostanze organiche (carboidrati ed aminoacidi) con produzione di alcooli, acido acetico, acido butirrico, acido succinico e gas come l'anidride carbonica, idrogeno e acido solfidrico con conseguente formazione di odori e sapori sgradevoli, fino ad arrivare al fenomeno della putrefazione.
Si possono dividere in vari gruppi, a seconda del loro processo fermentativo.
23
Classe 3BB a.s. 2013/2014
• Bocchetta Silvia
• Burnelli Veronica
• Cacioni Nicola
• Castrini Lorenzo
• Centogambe Emily
• Coli Angela
• Dallai Francesco
• De Felice Nicola
• Ercolanoni Lorenzo
• Falconi Luca
• Gambini Elena
• Mancini Francesco
• Marcucci Arturo
• Marzuola Federico
• Suriani Giovanni
• Tobia Cristiano
