Biofilm batterico e ciclo dell'azoto
 

Buongiorno!

ieri sera al solito non c'era nulla in TV ed ho ripreso in mano il libro della Walstad, che mi si è aperto alla pagina che parla dei biofilm.

In pratica la dottoressa afferma che i batteri si organizzano in biofilm ricoprendo tutte le superfici sommerse dell'acquario, che il biofilm è spesso dai 700 ai 900 micron, quindi è una struttura molto grande rispetto alle dimensioni dei singoli batteri e che offre innumerevoli vantaggi competitivi (e fin qui nulla di nuovo).

Poi si spinge oltre affermando che il biofilm non è una massa informe e gelatinosa, ma che i batteri al suo interno sono organizzati secondo schemi precisi e formano canali, condotti, strutture complesse.
In particolare ella ha verificato che all'interno del biofilm coesistono batteri che riducono l'ammoniaca a nitrito accanto a batteri che trasformano il nitrito in nitrato e (qui il punto focale) batteri che mineralizzano l'azoto dei nitrati emettendo N2 gassoso.

In pratica all'interno del biofilm (e questo è stato da lei verificato analizzando campioni presi anche da un percolatore) si chiuderebbe il ciclo dell'azoto, grazie ai polisaccaridi colloidali che isolerebbero i ceppi denitrificanti dall'ossigeno esterno creando le condizioni favorevoli al loro metabolismo

Ho riletto il passaggio più volte e sono andato a sfrugugliare in rete nella bibliografia a sostegno, ma non sono ancora riuscito a trovare le fonti originali.

Vorrei discuterne un pò con voi, perchè questa cosa non mi ha fatto prendere sonno fino alle 2 di stanotte... se fosse confermata dovremmo rifare molti dei calcoli in base ai quali scegliamo e dimensioniamo i filtri e scegliamo substrato, flora e fauna dell'acquario.

In pratica con un percolatore fatto in modo acconcio... #24 #24 #24

Re: Biofilm batterico e ciclo dell'azoto
 

e perchè?

I batteri si sviluppano in funzione dello spazio e/o supporto messo a loro disposizione,e anche per le caratteristiche dell'ambiente stesso.
Da qui, non trovo strano che un film batterico superficiale, possa avere una dimensione e caratteristiche,differenti dal quello che si può instaurare su un arredo, un percolatore o un filtro.

Non era meglio dare continuità al topic in evidenza ;-) ;-) ;-) ?

Paolo Piccinelli, premetto che sto leggendo anche io quel libro ma non sono ancora arrivata a quel punto quindi non so esattamente cosa dice al riguardo...
Comunque in generale un film batterico anche formato da più specie diverse si organizza in strutture complesse in cui, ad esempio, batteri che richiedono ossigeno si instaurano sulla superficie del biofilm o sulle pareti interne dei canali mentre quelli che lavorano in anaerobiosi si instaurano al di sotto di questi e la struttura finale del biofilm è paragonabile (come forma ovviamente) ad una spugna, in cui l'acqua passa solo nei canali ma non penetra in tutti i tessuti...il film batterico che si forma in acquario sugli arredi e sulla superficie dell'acqua non fa eccezione, la struttura di base è la stessa anche se ovviamente ci sono variazioni perché ogni specie batterica si organizza in modo diverso...
rifare i calcoli per la dimensione dei filtri non credo sia utile perché i calcoli sono stati già fatti nelle vasche, in cui si è sempre formato il film batterico su tutte le superfici quindi sono già proporzionati...
....credo... #13

Mi interessava approfondire solo il discorso delll'organizzazione del biofilm... in particolare alcuni aspetti legati ai batteri che intervengono nel ciclo dell'azoto:

- I batteri sulla superficie del biofilm devono poter tollerare una certa acidità e quindi saranno per lo più deputati alla trasformazione di ammoniaca/ammonio in nitrito, al loro riparo possono crescere quelli deputati alla trasformazione di nitrito in nitrato che non amano l'acidità e l'ammoniaca e che quindi beneficiano dell'azione dei precedenti, in "profondità" avremo zone poco ossigenate in cui c'è la possibilità di trovare dei denitrificanti... è possibile e come si può fare per ottenere un biofilm abbastanza spesso ?!?

- quali sono i parametri che avvantaggiano un ceppo piuttosto che un altro?

- esistono differenze fra il biofilm che si sviluppa nel filtro (quindi con ossigenazine massima) e quello che si sviluppa nei vari strati del fondo?!? (per me si :-)) )

- quali sono queste differenze e in che modo reagisce l'acquario avvantaggiando l'uno o l'altro?


...ma se ritenete che sia meglio accorpare, ci metto 5 minuti! :-))


più che per la dimensione, per le velocità di attraversamento e le sezioni trasversali... ma sto ovviamente facendo brainstorming ;-)

I batteri prolificano in base allo spazio e alle condizioni ambientali (pH, temperatura, ossigenazione...) in cui si trovano, in una vasca le condizioni ambientali sono legate alla fauna da ospitare quindi sono "fisse", lo spazio è quello che è..cioè la vasca...tutte le superfici occupabli e utili vengono sfruttate dai batteri, quindi non ci sono sistemi per modificare lo spessore del biofilm, a meno che tu non voglia fare una vasca per batteri, nel qual caso si possono anche cercare accorgimenti per aumentarne lo spessore...ma sinceramente non credo si possa creare un biofilm (con le caratteristiche del biofilm) molto spesso, altrimenti si comincia a parlare di colonia batterica che tutto un altro discorso...il biofilm si organizza da solo e risponde a determinate caratteristiche fisiche, mentre una colonia è generalmente meno organizzata...
Stavo spulciando il pc perché un annetto fa per un esame dell'università ho preso una serie di slide proprio sui biofilm batterici (in cui si spiegava la struttura e il sistema con cui i diversi ceppi si organizzano) coinvolti nei diversi cicli biogeochimici, se la ritrovo (spero non si siano perse con l'ultima formattazione #13 ) te le mando...(se interessa..)

sarebbe ORO! :-))

ciao

devo leggere anche io sto libro mi sa... #24

ad ogni modo ho anche io qualche info sui biofilm delle lezioni dell' università potrei guardare...

ad ogni modo cmq è interessante il discorso, però trovo che non vi sia influenza sui dimensionamenti dei filtri, per un motivo principale.
le popolazioni batteriche sono in equilibrio con le concentrazioni di nutrienti che trovano in soluzione, di conseguenza se il nostro acquario produce molti nutrienti per i batteri (principalmente ammoniaca nitrito ecc...) le colonie si espandono, se l' acquario ne produce poiche le colonie diminuiscono.
di conseguenza che il nostro filtro sia grande o più piccolo e che nella vasca ci siano ampie superfici per i biofilm o meno ci interessa fino ad un certo punto, perchè se i nutrienti sono limitanti, possiamo mettere filtri enormi cannolicchi ultraporosi e superfici da colonizzare quanto vogliamo, ma le colonie rimarranno sempre dimensionate all' ambiente.

almeno secondo me questo...

P.S dove avete trovato il libro della walstad?

ciao!

concordo, ma è anche vero che in un acquario i batteri che ci interessano non hanno mai problemi per quanto riguarda i nutrienti, o quantomeno non ne hanno per quanto riguarda i macronutrienti (carbonio, azoto, ossigeno, idrogeno, zolfo, fosforo principalmente e potassio, magnesio, ferro, sodio e calcio in minore parte), mentre per i micronutrienti qualche problema lo possono anche avere, ma a quanto ne so i batteri coinvolti nel ciclo dell'azoto non richiedono micronutrienti particolari, quindi penso ci si possa passare sopra...
nel caso di un acquario un filtro sovradimensionato non cambia la situazione perché ogni superficie sarà comunque colonizzata, tanto da colonie quanto da biofilm, proprio perché i macronutrienti non mancheranno mai in una vasca...ci potrebbero essere eccezioni per i fattori di accrescimento tipo le vitamine, ma in linea generale i nutrienti presenti in vasca sono sufficienti a permettere ai batteri di sintetizzarli autonomamente...
comunque non sono riuscita a ritrovare i file e il libro di microbiologia non l'ho mai comprato quindi vado un pò a memoria ma i dettagli non li ricordo molto bene...
Paolo Piccinelli, cosa intendi per parametri che influenzano un ceppo piuttosto che un altro? perché parlando di condizioni ambientali relative ai nutrienti tutti i batteri hanno le stesse necessità di macronutrienti per sintetizzare le strutture delle cellule e per gli enzimi necessari a portare avanti i vari processi metabolici; per gli altri fattori nell'ambito del biofilm il punto di maggiore limite sta nella struttura che i singoli ceppi assumono, quindi i parametri principali che devono essere presi in considerazione sono semplicemente gli altri ceppi oltre a quello considerato, perché sono gli altri ceppi che fanno parte dell'ambiente di ogni singola specie e quindi sono loro che modificano le condizioni ambientali fisico-chimiche all'interno del biofilm...e influenzano ogni fattore, dall'ossigenazione alla temperatura alla disponibilità di macro e micronutrienti...
le differenze tra le colonie batteriche che si sviluppano nel filtro e le colonie che si sviluppano su tutte le altre superfici è ovvio che ci siano; nel filtro (sui cannolicchi per intenderci) le colonie batteriche saranno per lo più disorganizzate e formate da organismi che richiedono ossigeno e non saranno quindi presenti tutte le specie che si trovano in vasca; su tutte le altre superfici troveremo tutte le specie organizzate in biofilm e quindi a più strati (volendo semplificare l'intera struttura...). in pratica all'interno del filtro, sulla superficie del biofilm e all'interno delle "gallerie" avranno luogo i processi del ciclo dell'azoto che richiedono ossigeno (nitrificazione e i batteri nitrificanti vivono ovunque sia disponibile ammoniaca e solo in ambiente basico, NON acido, perché un pH inferiore a 7 inibisce il processo).
Nelle zone anossiche questi batteri non ci sono proprio, perché manca l'ossigeno e non hanno quindi modo di sopravvivere (escludendo alcuni batteri che sono capaci di trasformare direttamente l'ammonio in azoto gassoso, ma mi pare si trovino solo in ambiente marino e in situazioni anaerobiche).
il processo di denitrificazione avviene invece in anaerobiosi, come anche la produzione di azoto molecolare, quindi i batteri denitrificatori si troveranno non nel filtro, ma nel biofilm o nel suolo ;-)
in pratica l'acquario nel suo insieme non fa un bel niente...quando inserisci i batteri in vasca, questi si vanno ad insediare ovunque sia loro possibile (fase di latenza), dopo di che un semplice processo di selezione naturale fa si che sopravvivano solo i batteri che casualmente si sono andati ad insediare in una zona a loro idonea...una volta morti tutti i batteri che si erano piazzati nel posto sbagliato i superstiti cominciano a colonizzare la vasca (fase esponenziale) ed è in questa fase che avviene il picco dei nitriti. in seguito la situazione si stabilizza, con ogni batterio al suo posto e metabolicamente attivo (fase stazionaria) o se preferiamo, vasca matura :-)
Spero di non aver detto cavolate... :-))
La cosa più interessante di tutto questo discorso a me sembra più che altro la differenza nella struttura del biofilm in vasche a pH basico (adatto all'insediamento dei batteri nitrificatori) rispetto alla struttura del biofilm in vasche a pH acido, che dovranno essere necessariamente differenti, altrimenti non si innescherebbe il ciclo dell'azoto, cosa che invece avviene... #24

ciao livia,
sì hai ragione in parte secondo me... nel senso che, è vero che i macronutrienti sono di solito sufficienti, ma quì si sta parlando di maggiori superfici colonizzate. allora prendiamo l' esempio dei batteri nitrificanti, essendo aerobi colonizzeranno tutte le superfici in cui l' ossigeno arriva. queste sono moltissime nel filtro nella vasca sulle piante la parte superficiale della sabbia, i tubi ecc ecc... quello che intendo io è che la popolazione si manterrà contenuta.
questo perchè come dicevi giustamente tu, si ha una fase di crescita esponenziale e una fase stazionaria della popolazione, ma si ha anche una fase di morte, dovuta a carenze di mutrienti, e competizione tra i ceppi batterici.
se io ho in una vasca da 50l una concentrazione x ammonio avrò una certa popolazione batterica che mi mantiene stabile il sistema, se io aumento la vasca e passo ad un 100l (quindi raddoppio) avendo la stessa concentrazione X di ammonio in acqua NON raddoppio le colonei batteriche perchè non ci sarebbe "da mangiare" per tutte, quindi la colonia sarà molto simile alla precedente, con la differenza che nel caso si verifichi un aumento dell' ammoniaca, il sistema è in grado di autoregolarsi e quindi aumentano le colonie e la nitrificazione.
spero di essermi spiegato decentemente... #24

certamente è l' insieme di tutti i microorganismi in acqua che assicurano la stabilità e il funzionamento della stessa.
in acquario ci sono molti più specie batteriche (parlare di ceppo è sbagliato perchè identifica una colonia che si è sviluppata da un unica cellula madre, in quanto le mutazioni nei batteri sono molto più frequenti non avendo introni nel DNA) alcune sono quelle che ci interessano direttamente (nitrificanti e denitrificanti) altre no. quindi i biofilm sono presenti sempre, ma non è detto che siano formati dalle cellule di nostro diretto interesse.

vorrei anche solo precisare che i batteri responsabili della denitrificazione sono solitamente non anaerobi, ma anaerobi facoltativi, sono in grado cioè di vivere in presenza di ossigeno in cui utilizzano l' ossigeno stesso per compiere i cicli respiratori e quindi è la molecola che si riduce, mentre se si trovano in anaerobiosi utilizzano il nitrato NO3 come molecola che si riduce per attuare i suoi cicli respiratori, questo significa che questi tipi di batteri sono comunque presenti e svolgono o meno la loro attività denitrificante a seconda dell' ambiente in cui si trovano in quel momento.

#24 per ora non mi viene in mente altro, però posso aver scritto cavolate... :-D

ti sei spiegato benissimo e hai perfettamente ragione, il discorso che facevo io sul fatto che un filtro sovradimensionato permetterebbe in ogni caso la crescita di colonie è dovuto al fatto che i macronutrienti nelle nostre vasche sono sempre e comunque in eccesso, quindi è possibile che una vasca possa sostenere colonie batteriche di proporzioni maggiori rispetto a quelle strettamente necessarie per mandare avanti la vasca stessa..cioè, penso sia impossibile che una vasca con una quantità di batteri sufficiente a mantenere l'equilibrio per quanto riguarda l'azoto venga completamente privata dei nutrienti necessari a mantenere una maggiore quantità di batteri...se hai una vasca da 50 litri con x cncentrazione di ammonio e passi a una da 100 litri con x concentrazione di ammonio è chiaro che la popolazione batterica non aumenta, ma questa è la teoria, nella pratica se passi da 50 a 100 litri fai automaticamente aumentare la concentrazione dei nutrienti e puoi quindi sostenere una comunità batterica maggiore..
per la presenza di molte più specie è verissimo, io non le ho nominate perché parlavamo del ciclo dell'azoto, ma è chiaro che sono presenti e rimane valido il discorso che ogni specie all'interno del biofilm influenza le condizioni ambientali per tutte le altre specie...o sto tralasciando qualche fattore?
comunque è vero, sono anaerobi facoltativi, errore mio, pardon... :-))