Strategie Metaboliche, Meccanismi Energetici e Habitat Microbici
1. Introduzione
La diversità metabolica dei procarioti costituisce uno dei tratti distintivi della vita microbica e rappresenta il fondamento dei cicli biogeochimici terrestri.
Comprendere la differenza tra chemiotrofia e respirazione permette di interpretare correttamente la struttura ecologica degli ecosistemi, la distribuzione delle nicchie microbiche e la successione redox che caratterizza sedimenti, suoli e acque sotterranee.
La chemiotrofia è una strategia metabolica globale, che definisce come un organismo ottiene energia e carbonio, integrando processi catabolici (produzione di energia) e processi anabolici (costruzione dei componenti cellulari).
La respirazione è invece uno specifico meccanismo catabolico per produrre energia attraverso una catena respiratoria e un accettore terminale di elettroni esterno.
Questa distinzione è cruciale:
La trofia è il “piano metabolico generale”,
la respirazione è uno degli “strumenti catabolici” contenuti in quel piano.
2. Chemiotrofia: la strategia metabolica nel suo insieme
2.1 Chemiotrofia come concetto integrato
La chemiotrofia comprende simultaneamente:
- metabolismo energetico (catabolismo)
– produzione di ATP e potere riducente (NADH, FADH₂, ferredossine)
– tramite respirazione, fermentazione o ossidazioni parziali; - metabolismo biosintetico (anabolismo)
– sintesi dei precursori cellulari (amminoacidi, nucleotidi, zuccheri fosfato, acil-CoA),
– polimerizzazione dei precursori nelle macromolecole (proteine, acidi nucleici, polisaccaridi, lipidi),
– assimilazione della fonte di carbonio.
La trofia, dunque, non coincide con il “modo di produrre energia”: è l’integrazione complessiva dei flussi di energia e carbonio.
2.2 Dimensioni fondamentali della trofia
A. Fonte di elettroni (donatore)
- Chemio·lito·trofi: donatore inorganico (H₂, NH₃, Fe²⁺, H₂S, NO₂⁻, CO).
- Chemio·organo·trofi: donatore organico (glucosio, acidi organici, etanolo).
B. Fonte di carbonio
- Autotrofi: fissano CO₂ tramite cicli biosintetici (Calvin, rTCA, Wood–Ljungdahl).
- Eterotrofi: assimilano carbonio organico preformato.
| Tipo | Fonte di energia | Donatore di elettroni | Fonte di carbonio | Esempi tipici |
|---|---|---|---|---|
| Chemio·lito·autotrofi | Reazioni redox inorganiche | H₂, NH₃, Fe²⁺, H₂S | CO₂ | Nitrosomonas, Thiobacillus, Sulfolobus |
| Chemio·lito·eterotrofi | Idem | Idem | C organico | Heliobacterium modesticaldum |
| Chemio·organo·autotrofi | Reazioni organiche | Composti organici | CO₂ | rari, alcuni Clostridium |
| Chemio·organo·eterotrofi | Reazioni organiche | Composti organici | C organico | la maggioranza dei batteri e funghi |
- I meccanismi energetici nella chemiotrofia
Indipendentemente dalla strategia trofica, i procarioti possono generare energia attraverso un insieme di processi catabolici, tra cui:
- respirazione aerobica (O₂ come accettore),
- respirazioni anaerobiche (NO₃⁻, Fe³⁺, SO₄²⁻, CO₂, ecc.),
- fermentazione,
- ossidazioni parziali senza catena respiratoria,
- vie specializzate (anammox, acetogenesi, metanogenesi).
La respirazione è solo uno dei possibili meccanismi energetici della chemiotrofia.
La totale strategia trofica include anche tutte le vie biosintetiche e di assimilazione.
- Respirazione: un meccanismo catabolico basato su catena di trasporto degli elettroni
4.1 Definizione biochimica
La respirazione comprende:
- ossidazione di un donatore di elettroni (organico o inorganico),
- passaggio degli elettroni in una Electron Transport Chain (ETC),
- trasferimento a un accettore terminale esterno,
- generazione di gradiente elettrochimico (PMF),
- sintesi di ATP tramite ATP-sintasi.
4.2 Respirazione nei procarioti: la massima diversità della biosfera
I procarioti utilizzano una gamma di accettori terminali molto più vasta di quella eucariotica: circa 30 tipi di respirazione sono documentati in natura.
- Respirazione aerobica (accettore: O₂)
Habitat tipici: acque superficiali, suoli aerati, biofilm ossigenati.
Organismi rappresentativi: Pseudomonas, Bacillus, E. coli, Azotobacter.
Significato ecologico: massima resa energetica; rapido riciclo della materia organica.
- Respirazione denitrificante (accettore: NO₃⁻ → N₂)
Habitat: sedimenti subossici, falde agricole, rizosfera anossica.
Organismi: Paracoccus denitrificans, Pseudomonas stutzeri.
Ruolo: rimozione del nitrato; ritorno dell’azoto atmosferico.
- Respirazione manganica e ferrica (Mn(IV), Fe(III))
Habitat: sedimenti d’acqua dolce, falde ferruginose, zone redox profonde.
Organismi: Shewanella oneidensis, Geobacter sulfurreducens.
Ruolo: dissoluzione dei minerali ferrici, mobilizzazione di fosforo e metalli, trasferimento extracellulare di elettroni (nanofili, pili conduttivi).
- Respirazione a metalloidi (As(V), Se(VI), V(V), U(VI))
Habitat: falde arseniche (Bangladesh, India), sedimenti vulcanici, ambienti mineralizzati.
Organismi: Chrysiogenes arsenatis, Bacillus arsenicoselenatis.
Ruolo: trasformazioni redox legate alla tossicità e mobilità degli inquinanti.
- Respirazione solfato-riduttiva (SO₄²⁻ → H₂S)
Habitat: sedimenti marini, fanghi profondi, digestori anaerobici.
Organismi: Desulfovibrio, Desulfobacter, Archaeoglobus.
Ruolo: produzione di solfuro, formazione di pirite (FeS₂), immobilizzazione dei metalli pesanti.
- Respirazione a zolfo elementare o polisolfuri (S⁰, Sₙ²⁻)
Habitat: sedimenti profondi, sorgenti idrotermali, ambienti di transizione ferro–zolfo.
Organismi: Desulfuromonas, Thermoproteus.
Ruolo: ponte metabolico tra cicli del ferro e dello zolfo.
- Metanogenesi (accettore: CO₂)
Habitat: sedimenti profondi, paludi, digestori, intestino dei ruminanti.
Organismi: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina.
Ruolo: produzione di CH₄ biogenico; metabolismo a minima energia.
- Respirazione del fumarato (accettore: fumarato → succinato)
Habitat: anaerobiosi facoltativa, intestino animale.
Organismi: Escherichia coli.
Ruolo: via energetica alternativa in condizioni di ossigeno limitato.
- Respirazioni organoalogenate e nitroaromatiche
Habitat: suoli e falde contaminate da solventi, pesticidi, esplosivi.
Organismi: Dehalobacter, Shewanella, Clostridium.
Ruolo: bioremediation; degradazione di composti antropogenici.
- Respirazione negli eucarioti: un caso particolare
Negli eucarioti:
- la trofia è quasi universalmente chemio·organo·eterotrofa,
- la respirazione avviene nei mitocondri,
- il donatore è NADH/FADH₂ derivato dal catabolismo dei composti organici,
- l’accettore terminale è O₂,
- la respirazione è uno dei meccanismi energetici, affiancata da fermentazioni (lattica, alcolica) e da ampie reti biosintetiche anaboliche.
I mitocondri discendono da un endosimbionte α-proteobatterico respiratorio.
- Fermentazione: un meccanismo senza catena respiratoria
La fermentazione:
- utilizza un accettore interno (piruvato, acetaldeide, intermedi),
- non impiega una catena respiratoria,
- produce meno ATP ma permette la sopravvivenza in assenza di accettori esterni.
Habitat: suoli anossici, intestino, prodotti alimentari, fanghi.
Organismi: Lactobacillus, Clostridium, Saccharomyces (fermentazione alcolica).
- Sintesi concettuale: trofie vs respirazioni
7.1 Livelli logici
TROFIA (strategia metabolica completa)
├– Catabolismo energetico
│ ├ RESPIRAZIONI (ETS + accettore esterno)
│ ├ FERMENTAZIONI (accettore interno)
│ └─ altre ossidazioni
└── Anabolismo
├ precursori
├ monomeri
└─ polimeri
7.2 Implicazione ecologica
La posizione lungo i gradienti redox negli ecosistemi dipende dagli accettori respiratori disponibili, non dalla strategia trofica globale.
- Conclusioni
- La chemiotrofia è un quadro integrato che comprende sia l’energia sia la biosintesi.
- La respirazione è uno dei meccanismi catabolici della chemiotrofia, non una strategia trofica.
- I procarioti possiedono una sorprendente varietà di respirazioni, distribuite lungo i gradienti redox naturali e responsabili di gran parte delle trasformazioni biogeochimiche della Terra.
- La diversità respiratoria concorre a determinare la struttura ecologica delle comunità microbiche nei sedimenti, nel suolo e nelle acque sotterranee.
- Gli eucarioti presentano una versione molto più ridotta della respirazione, relegata ai mitocondri e strettamente legata alla chemio·organo·eterotrofia.
CRITERIO DECISIVO: quando un processo è respirazione?
Un processo è respirazione SE e SOLO SE presenta contemporaneamente:
- Donatore di elettroni (organico o inorganico)
- Catena di Trasporto degli Elettroni (ETC)
- Accettore terminale ESTERNO alla cellula (non un intermedio del catabolismo)
- Conservazione di energia tramite PMF
- Sintesi di ATP tramite ATP-sintasi.
Se manca anche solo uno di questi criteri, NON è respirazione.
Sono respirazioni:
Respirazione aerobica (accettore = O₂)
Denitrificazione (NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂)
Solfato-riduzione (SO₄²⁻ → H₂S)
Respirazione ferrica (Fe³⁺ → Fe²⁺)
Respirazione manganica (Mn(IV) → Mn²⁺)
Respirazione a zolfo elementare / polisolfuri (S⁰, Sₙ²⁻)
Respirazioni metalloidi (As(V), Se(VI), V(V), U(VI), ecc.)
Respirazione fumarato-riducente (fumarato → succinato)
Metanogenesi idrogenotrofa con CO₂ come accettore → soddisfa formalmente i criteri della respirazione (catena riduttiva + accettore esterno + PMF indiretto + sintesi ATP tramite ATP-sintasi)
Respirazione del clorato/perclorato (ClO₃⁻ / ClO₄⁻)
Ossidazione aerobica dell’idrogeno (H₂ + O₂) → respirazione litotrofa classica (sia in forme strettamente aerobiche sia in quella nitrato-respirante)
Respirazione organoalogenata (PCE → TCE, ecc.) → anche se antropogenica, è a tutti gli effetti una respirazione.
- Ossidazione del monossido di carbonio (CO → CO₂) → se l’accettore è O₂ o NO₃⁻ → è
- Metilotrofia aerobica (metanolo → CO₂) → aerobica → respirazione.
NON SONO RESPIRAZIONI
Quali processi NON rispettano i criteri della respirazione?
Sono esattamente quattro categorie:
- Fermentazioni
(MANCANO ETC e accettore esterno)
- Fermentazione lattica
Donatore = glucosio
Accettore = piruvato (INTERNO)
NO ETC → non è respirazione
- Fermentazioni acetiche / butirriche
Stesso motivo
NO accettore esterno, NO ETC → non è respirazione
Le fermentazioni sono vie cataboliche chemiotrofiche senza respirazione.
- Metanogenesi acetoclastica (CH₃COOH → CH₄ + CO₂)
Qui è fondamentale la distinzione:
Metanogenesi idrogenotrofa (CO₂ + H₂ → CH₄) → SI, è respirazione (accettore esterno = CO₂)
Metanogenesi acetoclastica → NO, NON è respirazione Perché?
- Non c’è accettore terminale esterno
- La CO₂ prodotta deriva dalla scissione interna dell’acetato
- Il CH₄ deriva dal gruppo metilico interno
- Manca un flusso di elettroni verso un accettore esterno
È un metabolismo dismutativo, non una respirazione.
- Acetogenesi (via di Wood–Ljungdahl)
(H₂ + CO₂ → CH₃COOH)
È un processo anaerobico chemioautotrofo, ma NON una respirazione.
Perché?
- CO₂ non funge da accettore terminale in una ETC
- L’ATP non deriva da PMF + ATP-sintasi
- L’energia è conservata tramite fosforilazione a livello di substrato
e formazione di gradienti di sodio, non da catena respiratoria
Le acetogenesi sono processi anabolico-catabolici misti, non respirazioni.
- Anammox (NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂)
Questo è borderline.
È una respirazione?
La risposta dei testi moderni (Strous, Kartal, Jetten) è:
NO, l’anammox NON è respirazione canonica
Perché:
- manca una ETC di tipo quinone/citocromo tradizionale,
- gli elettroni fluiscono su cofattori insoliti (idrazina deidrogenasi, idrazina ossidoreduttasi),
- l’accettore “NO₂⁻” non rientra in un’articolata ETC con trasporto protonico nel senso classico.
L’anammox conserva energia tramite idrazina deidrogenasi e un organello dedicato (anammoxosoma) che genera un gradiente di protoni. È un metabolismo chemiosmotico respiratorio atipico, distinto dal modello quinone/citocromo.
L’anammox è considerato un metabolismo chemiosmotico speciale, distinto dalla respirazione standard.
Si parla di: “anammox metabolism”; “anammoxosome-based chemiosmotic energy conservation”; NON di respirazione.
NON SONO RESPIRAZIONI
- Fermentazione lattica
(no ETC, accettore interno)
- Fermentazioni butirrica/acetica
(no ETC)
- Metanogenesi acetoclastica
(accettore interno derivato dal substrato)
- Acetogenesi (Wood–Ljungdahl)
(no ETC respiratoria classica)
- Anammox
(via chemiosmotica atipica, non una respirazione canonica)
Che cosa sono questi processi se non sono respirazioni?
Fermentazioni → vie chemiotrofiche senza respirazione – catabolismo a bassa energia, accettore interno, nessuna ETC.
Metanogenesi acetoclastica → metabolismo dismutativo – il substrato viene “dismutato” in un prodotto ossidato e uno ridotto.
Acetogenesi → chemioautotrofia a fosforilazione substrato-dipendente – catabolismo + anabolismo, senza respirazione.
Anammox → metabolismo chemiosmotico speciale – uso di idrazina come intermedio, organello dedicato (anammoxosoma), non respirazione canonica.
| Tipo di respirazione | Accettore terminale di e⁻ | Esempio di reazione globale semplificata* | E°’ coppia accettore (V vs SHE, ~pH 7, stima) | Organismi rappresentativi | Habitat |
|---|---|---|---|---|---|
| Respirazione aerobica | O₂ | CH₂O + O₂ → CO₂ + H₂O | ≈ +0,80 | Pseudomonas, Bacillus, E. coli, molti Archea aerobici | Suoli aerati, acque superficiali, biofilm |
| Respirazione a nitrato | NO₃⁻ | 5 CH₂O + 4 NO₃⁻ + 4 H⁺ → 5 CO₂ + 2 N₂ + 7 H₂O | ≈ +0,74 (NO₃⁻/N₂) | Paracoccus denitrificans, Pseudomonas stutzeri | Sedimenti, suoli subossici, falde agricole |
| Respirazione a nitrito | NO₂⁻ | 3 CH₂O + 4 NO₂⁻ + 4 H⁺ → 3 CO₂ + 2 N₂ + 5 H₂O | ≈ +0,35–0,40 (NO₂⁻/N₂) | Alcaligenes, Thiobacillus denitrificans | Sedimenti, biofilm, impianti di depurazione |
| Respirazione a monossido di azoto | NO | 2 CH₂O + 4 NO + 2 H₂O → 2 CO₂ + 2 N₂O + 4 H⁺ | ≈ +1,1 (NO/N₂O, stima) | batteri denitrificanti evoluti (es. Pseudomonas, Paracoccus) | Sedimenti, suoli subossici, falde agricole |
| Respirazione a protossido di azoto | N₂O | CH₂O + N₂O → CO₂ + N₂ + H₂O | ≈ +1,3 (N₂O/N₂) | Paracoccus denitrificans, Alcaligenes faecalis | Sedimenti, suoli umidi |
| Respirazione manganica | Mn(IV) (es. MnO₂) | CH₂O + 2 MnO₂ + 4 H⁺ → CO₂ + 2 Mn²⁺ + 3 H₂O | ≈ +0,4 (MnO₂/Mn²⁺) | Shewanella oneidensis, Geobacter manganireducens | Sedimenti d’acqua dolce, interfacce redox |
| Respirazione ferrica | Fe(III) (ossidi/idrossidi) | CH₂O + 4 Fe(OH)₃ + 7 H⁺ → CO₂ + 4 Fe²⁺ + 10 H₂O | ≈ +0,2 (Fe(OH)₃/Fe²⁺) | Geobacter sulfurreducens, Shewanella putrefaciens | Sedimenti ferruginosi, falde |
| Respirazione ad arsenato | As(V) (AsO₄³⁻) | CH₂O + 2 HAsO₄²⁻ + 3 H⁺ → CO₂ + 2 H₂AsO₃ + 2 H₂O | ≈ +0,5–0,6 (As(V)/As(III)) | Chrysiogenes arsenatis, Shewanella sp. arsenato-riduttrici | Falde arseniche, sedimenti riducenti |
| Respirazione a selenato | Se(VI) (SeO₄²⁻) | CH₂O + SeO₄²⁻ + 3 H⁺ → CO₂ + H₂SeO₃ + 2 H₂O | ≈ +0,4–0,5 (Se(VI)/Se(IV)) | Bacillus selenitireducens, Thauera selenatis | Suoli alcalini, acque ricche di Se |
| Respirazione a selenito | Se(IV) (SeO₃²⁻) | CH₂O + H₂SeO₃ → CO₂ + Se⁰ + 2 H₂O | ≈ +0,2–0,3 (Se(IV)/Se⁰) | Bacillus sp. selenito-riduttori, Pseudomonas stutzeri | Sedimenti, biofilm |
| Respirazione a tellurato | Te(VI) (TeO₄²⁻) | CH₂O + H₆TeO₆ → CO₂ + Te⁰ + 3 H₂O | ≈ +0,5–0,6 (Te(VI)/Te⁰) | Bacillus beveridgei, Pseudomonas tellurato-riduttrici | Sedimenti e suoli metalliferi |
| Respirazione ad antimonato | Sb(V) (SbO₄³⁻) | CH₂O + Sb(V) + H₂O → CO₂ + Sb(III) + 2 OH⁻ | ≈ +0,6–0,8 (Sb(V)/Sb(III)) | Staphylococcus xylosus, Pseudomonas Sb-riduttori (vari) | Sedimenti e suoli metalliferi |
| Respirazione a vanadato | V(V) (VO₄³⁻) | CH₂O + 2 VO₄³⁻ + 5 H⁺ → CO₂ + 2 VO²⁺ + 4 H₂O | ≈ +0,3–0,4 (V(V)/V(IV)) | Shewanella putrefaciens, Geobacter metallireducens | Suoli, miniere, falde metallifere |
| Respirazione a uranile | U(VI) (UO₂²⁺) | CH₂O + 2 UO₂²⁺ + 4 H⁺ → CO₂ + 2 UO₂(s) + 3 H₂O | ≈ +0,2–0,4 (U(VI)/U(IV)) | Geobacter spp., Shewanella spp. | Sedimenti/falde contaminate da U |
| Respirazione a cromato | Cr(VI) (CrO₄²⁻) | CH₂O + CrO₄²⁻ + 4 H⁺ → CO₂ + Cr(OH)₃ + H₂O | ≈ +1,0–1,3 (Cr(VI)/Cr(III)) | Pseudomonas Cr-riduttori, Shewanella oneidensis | Suoli e falde contaminate da Cr(VI) |
| Respirazione solfato-riduttiva | SO₄²⁻ | 2 CH₂O + SO₄²⁻ → 2 CO₂ + H₂S + 2 H₂O | ≈ −0,2 / 0,0 (SO₄²⁻/HS⁻ dipende da pH) | Desulfovibrio, Desulfobacter, Archaeoglobus | Sedimenti marini, fanghi anaerobici |
| Respirazione a solfito | SO₃²⁻ | CH₂O + SO₃²⁻ + H₂O → CO₂ + HS⁻ + 2 OH⁻ | ≈ +0,0–0,1 (SO₃²⁻/HS⁻) | Desulfovibrio desulfuricans, altri SRB | Sedimenti sulfidici |
| Respirazione a tiosolfato | S₂O₃²⁻ | CH₂O + S₂O₃²⁻ + H₂O → CO₂ + 2 HS⁻ + 2 OH⁻ | ≈ +0,0–0,1 | Desulfotomaculum, Desulfovibrio | Sedimenti marini, biofilm anossici |
| Respirazione a zolfo elementare | S⁰ | CH₂O + S⁰ + H₂O → CO₂ + H₂S + OH⁻ | ≈ +0,1–0,2 (S⁰/HS⁻) | Desulfuromonas acetoxidans, Thermoproteus tenax | Sedimenti anossici, sorgenti termali |
| Respirazione a polisolfuri | Sₙ²⁻ | CH₂O + Sₙ²⁻ + H₂O → CO₂ + HS⁻ + … | ≈ 0,0–0,1 (varia con n) | Desulfuromonas, Pelobacter | Sedimenti sulfidici profondi |
| Respirazione metanogenica (idrogenotrofa) | CO₂ | CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O | ≈ −0,24 (CO₂/CH₄) | Methanobacterium, Methanocaldococcus | Sedimenti profondi, paludi, ruminanti |
| Respirazione a fumarato | Fumarato | Fumarato + H₂ → Succcinato | ≈ +0,03–0,05 (fumarato/succinato) | Escherichia coli, Wolinella succinogenes | Intestino, fanghi, sedimenti |
| Respirazione a DMSO | DMSO | CH₂O + DMSO → CO₂ + DMS + H₂O | ≈ +0,15–0,20 (DMSO/DMS) | E. coli, Shewanella oneidensis | Intestino, sedimenti marini, fanghi |
| Respirazione a TMAO | TMAO | CH₂O + TMAO → CO₂ + TMA + H₂O | ≈ +0,10–0,20 | Vibrio spp., E. coli (anaerobiosi) | Sedimenti ricchi di TMAO |
| Respirazione a chinoni naturali / humic substances | Chinoni umici (Q) | CH₂O + Q(ox) → CO₂ + Q(red) + H₂O | ≈ +0,0–0,2 (molto variabile) | Geobacter, Shewanella, batteri del suolo | Suoli ricchi in humus, sedimenti torbosi |
| Respirazione a perclorato | ClO₄⁻ | CH₂O + ClO₄⁻ → CO₂ + Cl⁻ + H₂O | ≈ +1,1–1,2 (ClO₄⁻/Cl⁻) | Dechloromonas agitata, Azospira suillum | Falde e suoli contaminati, ambienti ossidanti |
| Respirazione a clorato | ClO₃⁻ | CH₂O + ClO₃⁻ → CO₂ + Cl⁻ + H₂O | ≈ +0,6–0,8 (ClO₃⁻/Cl⁻) | Dechloromonas, Pseudomonas chloritidismutans | Falde, suoli, bioreattori |
| Respirazione a bromato | BrO₃⁻ | CH₂O + BrO₃⁻ → CO₂ + Br⁻ + H₂O | ≈ +1,0–1,1 (BrO₃⁻/Br⁻) | batteri bromato-riduttori in sedimenti e biofilm (vari Pseudomonas) | Acque e sedimenti ricchi in bromati |
| Respirazione a iodato | IO₃⁻ | CH₂O + IO₃⁻ → CO₂ + I⁻ + H₂O | ≈ +1,1–1,2 (IO₃⁻/I⁻) | Pseudomonas sp., batteri marini iodato-riduttori | Colonna d’acqua oceanica, sedimenti ricchi di I |
| Respirazione a organoalogenati | PCE/TCE/DCE, clorofenoli | PCE + H₂ → TCE → DCE → VC → etene (sequenza di riduzioni) | E°’ variabile, ma generalmente alto (+0,3–+0,6) | Dehalococcoides mccartyi, Dehalobacter restrictus, Desulfitobacterium | Falde contaminate da solventi clorurati |
| Respirazione a nitrobenzene | Nitrobenzene (Ph–NO₂) | Ph–NO₂ + 6 e⁻ + 6 H⁺ → Ph–NH₂ + 2 H₂O | ≈ +0,1–0,3 (stima) | Pseudomonas, Paracoccus, batteri denitrificanti xenobiotico-riduttori | Sedimenti e suoli contaminati |
| Respirazione a DNT | Dinitrotoluene (DNT) | DNT + 6 e⁻ + 6 H⁺ → amino-derivati + H₂O | ≈ +0,1–0,3 | Pseudomonas sp., Clostridium riduttori di nitroaromatici | Aree militari, poligoni, sedimenti fluviali |
| Respirazione a TNT | Trinitrotoluene (TNT) | TNT + 6–8 e⁻ + H⁺ → amino-TNT / triaminotoluene + H₂O | ≈ +0,2–0,4 (dipende dai gruppi nitro) | Pseudomonas, Citrobacter, Clostridium | Aree militari, poligoni, sedimenti fluviali |
| Respirazione a nitrofenoli | Nitrofenoli (Ar–NO₂–OH) | Nitrofenolo + 6 e⁻ + 6 H⁺ → aminofenolo + 2 H₂O | ≈ +0,1–0,3 | Desulfovibrio, Shewanella, batteri del suolo riduttori di nitroaromatici | Aree militari, poligoni, sedimenti fluviali |
| Respirazione a RDX | RDX | RDX + e⁻/H⁺ → nitroso-derivati → frammenti ridotti | E°’ non ben definito; generalmente ossidante moderato | Clostridium bifermentans, Shewanella oneidensis | Suoli/falde militari, discariche |
| Respirazione a HMX | HMX | HMX + e⁻/H⁺ → prodotti nitroso e amminici | E°’ non ben definito; simile a RDX | Pseudomonas, Rhodococcus, consorzi denitrificanti | Suoli/falde militari, discariche |
| Tipo di respirazione | Accettore terminale | Coppia redox (ridotta/ossidata) | E°’ (V, pH 7, ≈) | ΔG°’ con H₂ (kJ/mol H₂, ≈) | Donatori reali più comuni | Organismi rappresentativi | Habitat |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Respirazione aerobica (organotrofa/litotrofa) | O₂ | H₂O/O₂ | +0.82 | −240 | H₂, NADH, CH₂O, glucosio, lattato, Fe²⁺, H₂S, NH₃ | Pseudomonas, Bacillus, E. coli, molti Archaea | Suoli aerati, acque superficiali, biofilm, tessuti |
| Denitrificazione (NO₃⁻→N₂) | NO₃⁻ | N₂/NO₃⁻ (complessivo) | +0.74 | −220 | H₂, CH₂O, acetato, etanolo, H₂S, Fe²⁺ | Paracoccus denitrificans, P. stutzeri | Sedimenti subossici, falde agricole, rizosfera anossica |
| Tappe intermedie denitrificazione | NO₂⁻, NO, N₂O | N₂O/NO, N₂/N₂O | ~+1.1–1.3 | −290 ÷ −330 | come sopra | Denitrificanti completi (Paracoccus, Pseudomonas) | Micro-nicchie anossiche in sedimenti e biofilm |
| Respirazione manganica | Mn(IV) (MnO₂) | Mn²⁺/MnO₂ | +0.40 | −160 | H₂, CH₂O, acetato, formiato | Shewanella, Geobacter | Zona manganica di sedimenti, interfacce redox |
| Respirazione ferrica | Fe(III) (ossidi/idrossidi) | Fe²⁺/Fe(OH)₃ | +0.20 | −120 | H₂, acetato, lattato, H₂S | Geobacter sulfurreducens, Shewanella oneidensis | Sedimenti ferruginosi, falde ferruginose |
| Respirazione ad arsenato | As(V) | As(III)/As(V) | +0.5–0.6 | −180 | H₂, lattato, acetato, CH₂O | Chrysiogenes arsenatis, Shewanella | Falde arseniche, sedimenti riducenti |
| Respirazione a selenato | Se(VI) → Se(IV) | Se(IV)/Se(VI) | +0.4–0.5 | −160 | H₂, organici | Thauera selenatis, Bacillus | Suoli alcalini, sedimenti ricchi di Se |
| Respirazione a selenito | Se(IV) → Se⁰ | Se⁰/Se(IV) | +0.25 | −130 | H₂, lattato, acetato | Bacillus selenitireducens, Pseudomonas | Sedimenti, biofilm |
| Respirazione solfato-riduttiva | SO₄²⁻ | HS⁻/SO₄²⁻ | −0.22→0.0 | ≈ −40 | H₂, lattato, acetato, etanolo, CH₂O | Desulfovibrio, Desulfobacter, Archaeoglobus | Sedimenti marini, fanghi anaerobici, digestori |
| Respirazione a solfito | SO₃²⁻ | HS⁻/SO₃²⁻ | ~0.0–0.1 | −90 | H₂, organici | Desulfovibrio desulfuricans | Sedimenti sulfidici |
| Respirazione a tiosolfato | S₂O₃²⁻ | HS⁻,S⁰/S₂O₃²⁻ | ~0.0–0.1 | −90 | H₂, organici | Desulfotomaculum, Desulfovibrio | Sedimenti marini, zone di transizione ossico/anossica |
| Respirazione a zolfo elementare | S⁰ | HS⁻/S⁰ | +0.1–0.2 | −110 | H₂, acetato, H₂S | Desulfuromonas acetoxidans, Thermoproteus | Sedimenti anossici, sorgenti termali |
| Respirazione a polisolfuri | Sₙ²⁻ | HS⁻/Sₙ²⁻ | ≈0–0.1 | −90 | H₂, acetato, formiato | Desulfuromonas, Pelobacter | Sedimenti sulfidici profondi |
| Metanogenesi idrogenotrofa | CO₂ | CH₄/CO₂ | −0.24 | −35 | H₂, formiato | Methanobacterium, Methanocaldococcus | Sedimenti profondi, paludi, ruminanti, digestori |
| Respirazione fumarato-riducente | Fumarato | Succcinato/Fumarato | +0.03–0.05 | −90 | H₂, formiato, NADH (via ETC), organici | E. coli, Wolinella succinogenes | Intestino, fanghi, sedimenti |
| Respirazione a DMSO | DMSO | DMS/DMSO | +0.15–0.20 | −115 | H₂, NADH, organici | E. coli, Shewanella oneidensis | Intestino, sedimenti marini, fanghi |
| Respirazione a TMAO | TMAO | TMA/TMAO | +0.10–0.20 | −110 | H₂, NADH, organici | Vibrio, E. coli (anaerobiosi) | Gut marino, sedimenti ricchi in TMAO |
| Respirazione a humic substances | Chinoni umici (Q) | QH₂/Q | 0.0–0.2 | ≈ −100 | H₂, Fe²⁺, CH₂O, acetato | Geobacter, Shewanella | Suoli ricchi in humus, torbiere, sedimenti lacustri |
| Respirazione a perclorato | ClO₄⁻ | Cl⁻/ClO₄⁻ | +1.1–1.2 | −300 | H₂, acetato, lattato, CH₂O | Dechloromonas agitata, Azospira suillum | Falde e suoli contaminati, ambienti ossidanti |
| Respirazione a clorato | ClO₃⁻ | Cl⁻/ClO₃⁻ | +0.6–0.8 | −215 | H₂, acetato, CH₂O | Dechloromonas, P. chloritidismutans | Falde, suoli, bioreattori |
| Respirazione a bromato | BrO₃⁻ | Br⁻/BrO₃⁻ | +1.0–1.1 | −280 | H₂, organici | Pseudomonas spp. bromato-riduttori | Acque e sedimenti con bromati |
| Respirazione a iodato | IO₃⁻ | I⁻/IO₃⁻ | +1.1–1.2 | −280 | H₂, DOC | Pseudomonas marini, altri iodato-riduttori | Colonna d’acqua oceanica, sedimenti ricchi di I |
| Respirazione con EET | Fe(III), Mn(IV) + humics | Fe²⁺/Fe(III), QH₂/Q | +0.2–0.4 | −120…−150 | H₂, acetato, CH₂O | Geobacter, Shewanella (pili conduttivi, nanowires) | Sedimenti anossici, biofilm conduttivi |
Che cosa è Respirazione con EET?
Nei batteri respiratori classici, il flusso degli elettroni termina su un accettore interno (O₂) o solubile (nitrato, solfato).
In batteri come Geobacter e Shewanella, invece, l’accettore è solido e si trova fuori dalla cellula, ad esempio:
- ossidi di ferro Fe(III)
- ossidi di manganese Mn(IV)
- sostanze umiche (chinoni naturali del suolo)
- grafite o anodi in un bioreattore
Quindi devono:
- prelevare elettroni dal loro metabolismo (donatore: acetato, lattato, H₂)
- trasmetterli a proteine della membrana interna
- poi al periplasma
- poi a citocromi esterni
- poi all’ambiente esterno fino al minerale
Questa catena attraversa letteralmente la parete cellulare e prosegue fuori dalla cellula.
Strutture molecolari che permettono EET
Nei Geobacter:
- pili conduttivi proteici (nanowires)
- catene di citocromi multi-emici (OmcS, OmcZ)
- ponti redox tra cellula e minerali
Nelle Shewanella:
- citocromi esterni (MtrC, OmcA)
- complesso MtrCAB (periplasma → membrana esterna → minerale)
- vescicole extracellulari conduttive
In biofilm complessi:
- network conduttivi di EPS ridotti
- comunità sinergiche che passano elettroni tra cellule diverse
Perché è comunque respirazione?
Perché sono soddisfatti i criteri:
- c’è donatore (H₂, acetato, lattato)
- c’è una ETC interna
- c’è un accettore esterno (minerale)
- viene generato PMF (o SMF)
- viene sintetizzato ATP con ATP-sintasi
La differenza con le respirazioni classiche è solo la parte terminale della catena elettronica.
Ecologia della respirazione con EET
Tipica di ambienti:
- sedimenti ferruginosi/ricchi di Mn
- suoli organici ricchi di humus
- depositi di ossidi densi (zone redox profonde)
- biofilm elettricamente attivi
- interfacce acqua-sedimento
- reattori microbici (MFC, MEC)
Ruolo ecologico chiave:
- dissoluzione di Fe(III) e Mn(IV)
- mobilizzazione dei nutrienti
- mantenimento delle zone redox nei sedimenti
- biodegradazione di sostanze organiche complesse
- partecipazione al ciclo del carbonio e del ferro
In breve
La respirazione con EET è una respirazione anaerobica in cui gli elettroni vengono trasferiti dall’interno della cellula a un accettore solido extracellulare (minerali o sostanze umiche), attraverso strutture specializzate.
È una respirazione a tutti gli effetti, ma con accettori solidi extracitoplasmatici.
Biofilm complessi come “reti elettriche viventi”
In alcuni biofilm, soprattutto quelli formati da Shewanella, Geobacter, ma anche consorzi misti, la matrice extracellulare (EPS) non è un semplice gel polisaccaridico.
Contiene:
- chinoni naturali (derivati dell’humic material)
- acidi umici
- fenoli redox-attivi
- citocromi extracellulari secreti
- nanofili batterici (pili conduttivi)
- vescicole extracellulari conduttive
Tutte queste “strutture” creano una rete redox continua.
La cosa sorprendente è che questa rete può condurre elettroni a distanza, anche di millimetri o centimetri, che in microbiologia sono distanze enormi.
Funzione:
- trasferire elettroni da cellule interne (più profonde, prive di accettori solubili)
- verso cellule più esterne, che scaricano gli elettroni su Fe(III), Mn(IV), o un elettrodo
È come se un biofilm funzionasse come un cavo elettrico multicellulare.
EPS conduttivi: cosa sono?
EPS = Extracellular Polymeric Substances: matrice di polisaccaridi, proteine, DNA extracellulare (eDNA), lipidi, polimeri aromatici.
Alcuni biofilm (Geobacter, Shewanella) arricchiscono l’EPS con:
Chinoni naturali, molecole aromatiche polifenoliche redox-attive (come gli humic substances). Proprietà: accettano e cedono elettroni, formano “ponti redox” tra cellula e minerale, permettono l’hopping elettronico tra siti redox diversi.
Citocromi extracellulari, proteine multi-eme, rilasciate o legate all’EPS. Ogni gruppo eme può ricevere o cedere 1 elettrone. Più citocromi = più siti redox in serie = maggiore conduttività.
eDNA – Il DNA extracellularizzato può complessarsi con ioni metallici (Fe³⁺) formando strutture conduttive per coordinazione metallica.
Polimeri aromatici ridotti molto simili ai “pili conduttivi ” dei Geobacter.
Come avviene la conduzione elettrica?
Tre meccanismi principali:
- Electron hopping (salti quantizzati tra cluster redox)
Gli elettroni non scorrono come in un metallo. Saltano da un gruppo redox all’altro:
- eme → eme
- chinone → chinone
- Fe(III) coordinato → Fe(II) coordinato → altro Fe(III)
- aromatico → aromatico
È una conduzione elettronica per hopping.
- Conduzione lungo nanofili (pili conduttivi)
Soprattutto in Geobacter:
- i pili sono proteici
- contengono residui aromatici (fenilalanina, tirosina) impilati
- gli anelli aromatici formano “conduttori organici”
- funzionano come nanocavi di tipo biologico
Misurazioni STM e AFM hanno mostrato conduttività comparabile a polimeri semiconduttori organici.
- Trasferimento mediato da chinoni diffondenti
Le sostanze umiche:
- accettano elettroni da una cellula
- si riducono
- si spostano → raggiungono un accettore minerale
- si ri-ossidano, cedendo elettroni
È un circuito shuttle.
Comunità sinergiche: come si passano elettroni?
In molti biofilm, nessuna singola specie fa tutto.
Esempio tipico (sedimenti ferruginosi)
Cellule più profonde:
- zona povera di accettori
- zona ricca di donatori di e⁻ (acetato, H₂, materia organica) → producono elettroni
Cellule più esterne:
- zona a contatto con Fe(III) o Mn(IV) → ricevono elettroni “tramite cavi biologici” → riducono il minerale.
Questo è chiamato: Sintrofia elettrica diretta (DIET: Direct Interspecies Electron Transfer)
Esempi famosi:
- Geobacter → Methanosaeta (in sedimenti metanogenici) → i Geobacter inviano elettroni ai metanogeni senza passare per H₂ o formiato
- Geobacter → Geobacter (cooperative)
- Shewanella → Geobacter (in biofilm misti)
Un esempio reale: biofilm conduttivi nei sedimenti del Lago Oneida
- Strato superiore → contatto con MnO₂
- Strato inferiore → ricco di acetato e DOC
- Biofilm spessi → cavi conduttivi di Geobacter
- EET di millimetri fino all’interfaccia acqua-sedimento
- Correnti misurate: fino a mA per cm² (!)
Perché questo è importante?
Perché permette:
- respirazione su accettori a distanza
- aumento dello spessore del biofilm (senza anossia interna)
- cooperazione interspecifica
- biodegradazione più efficiente
- ripartizione del lavoro metabolico
- cicli del ferro e del carbonio molto più rapidi
In breve
Quando in un biofilm complesso esiste un network conduttivo di EPS ridotti e una comunità che passa elettroni tra cellule, significa che:
- il biofilm diventa una struttura elettricamente conduttiva,
- le cellule interne cedono elettroni a quelle esterne,
- gli elettroni viaggiano attraverso pili, citocromi, polimeri aromatici o chinoni,
- la comunità intera si comporta come un cavo biologico capace di respirare minerali non adiacenti.
È uno dei comportamenti emergenti più straordinari dell’evoluzione microbica.