Ruolo dei batteri nitrificatori in un ecosistema artificiale

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 Generalità 
 
 
Ciclo dell’azoto 
 
 
L’azoto è uno degli elementi essenziali  che costituiscono il protoplasma 
e, come tutti gli elementi essenziali, circola nella biosfera dall’ambiente 
agli organismi e viceversa seguendo un percorso più o meno circolare 
detto ciclo biogeochimico dell’azoto, un ciclo molto complesso diviso 
in due “pools”:  
 ξ  Pool di riserva, che costituisce il componente più ampio, meno attivo 
e generalmente non biologico, che nel caso dell’azoto è costituito 
dall’atmosfera. 
 ξ  Pool di scambio, la parte più attiva ed in rapido movimento tra gli 
organismi e l’ambiente. 
 
L’atmosfera, costituita per l’80% di azoto, è la riserva di questo sistema; 
infatti l’azoto passa nell’atmosfera ad opera dei batteri denitrificanti e da 
questa torna nel ciclo per azione di alghe e batteri azotofissatori 
(biofissazione), oltre che ad opera di fulmini e altri meccanismi fisici di 
fissazione. 
Inoltre va considerata l’azione antropica che, con la fissazione industriale 
per la produzione di concimi e con la coltivazione delle leguminose, 
contribuisce in modo notevole al ritorno dell’azoto in circolo.  
Parte dell’azoto è perso dalle zone terrestri e finisce verso i sedimenti 
oceanici profondi, uscendo così dal ciclo per alcuni milioni di anni, 
mentre è rimpiazzato da quello che, contenuto nei gas vulcanici, si 
diffonde nell’atmosfera ad ogni eruzione. 
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Il ciclo dell’azoto è regolato da meccanismi a retroazione (feed-back) che 
lo mantengono in perfetto equilibrio.  
 
 
 
 
 
 
Fig. 1: ciclo dell’azoto (tratta da: Basi di Ecologia – Odum E. P.) 
 
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Biofissazione dell’azoto atmosferico 
 
L’energia necessaria per questo processo è tratta dalla sostanza 
organica o dall’energia solare.  
Gli organismi capaci di fissare l’azoto atmosferico si dividono in: 
 ξ  Batteri liberi – Azotobacter (aerobico) e Clostridium (anaerobico). 
 ξ  Batteri simbionti su leguminose – Rhizobium 
 ξ  Alghe azzurre (cianobatteri) – Anabena in simbiosi con la felce 
acquatica Azolla, Nostoc e altri membri dell’ordine delle Nostocales. 
 ξ  Batteri fotosintetici – Rhodospirillum 
 ξ  Batteri del terreno – Pseudomonas 
 ξ  Attinomiceti, funghi primitivi presenti nei noduli radicali delle seguenti 
famiglie: Alnus, Ceanothus, Comptonia, Elaeagnus, Myrica, 
Casuarina, Coriaria, Araucaria e Ginkgo. 
 
La biofissazione è mediata da un enzima, la nitrogenasi, che catalizza 
la scissione delle molecole di N
2
, abbassando l’energia di attivazione 
necessaria per la rottura del triplo legame NΞN, in modo da convertirla 
(con somma di idrogeno dall’acqua) in due molecole di ammoniaca. 
La nitrogenasi è costituita da due componenti proteiche: componente I 
(P.M.= 220.000, 4 subunità, contenenti 24 atomi di Fe e 2 atomi di Mo) e 
componente II (P.M.= 55.000, 2 subunità con 2 atomi di Fe). 
Una proteina trasportatrice trasferisce gli elettroni alla nitrogenasi, che li 
fa reagire con N
2
 attraverso il componente II e poi I, dove avviene la 
riduzione. 
Entrambi i componenti proteici si alterano irreversibilmente per contatto 
con l'O
2
 atmosferico. Pertanto i microorganismi azotofissatori hanno 
sviluppato diversi accorgimenti per proteggere dall'O
2
 i propri enzimi: ad 
esempio molti cianobatteri possiedono cellule specializzate (eterocisti) a 
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pareti ispessite, che contengono la nitrogenasi e la isolano dal contatto 
con l'O
2
 atmosferico, oppure molti microrganismi azotofissatori anaerobi 
vivono solo in strati profondi del terreno, dove l'O
2
 è assente.  
Il sistema più perfezionato di protezione contro l'O
2
 atmosferico è 
comunque rappresentato dalla simbiosi tra Rhizobium e leguminose: l'O
2
 
non può raggiungere i batteri in quanto è legato da una proteina (leg-Hb) 
sintetizzata dalla pianta nei noduli radicali e che lo cede solo quando 
necessario. Si è osservato che la biofissazione nei noduli radicali è dieci 
volte più efficiente della biofissazione negli organismi a vita libera. 
La simbiosi con le piante superiori è vantaggiosa sia per i microrganismi 
(habitat congeniale, protezione della nitrogenasi da un eccesso di O
2
 che 
inibisce la fissazione, energia di alta qualità), sia per le piante che 
ottengono azoto immediatamente assimilabile.  
L'azoto viene poi reso disponibile in seguito al rilascio da parte delle 
popolazioni microbiche azotofissanti, oppure per cattura e digestione 
degli azotofissatori da parte di predatori. In questo modo l'azoto diventa 
disponibile per gli altri organismi che vivono in quello stesso ecosistema. 
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Mineralizzazione 
 
L’azoto protoplasmatico, alla morte dell’organismo, passa da una forma 
organica ad una inorganica (ammoniaca e nitrati) a causa dell’azione 
mineralizzante di una serie di batteri decompositori, ciascuno 
specializzato per un particolare passaggio. 
Come tutti i viventi i Batteri hanno bisogno, per vivere e riprodursi, di 
energia e di una serie di elementi che, opportunamente elaborati, 
andranno a costituire i nuovi individui. La principale forma di energia 
sfruttata dai Batteri utilizzati per i processi di biodepurazione è quella 
contenuta nel legame chimico dei composti, da cui il nome di 
“chemotrofi”, a differenza dei “fototrofi” che utilizzano l’energia 
luminosa.  
Un’ulteriore suddivisione riguarda i Batteri chemotrofi in: 
 ξ  Chemorganotrofi: utilizzano l’energia chimica dei composti organici 
 ξ  Chemolitotrofi: utilizzano l’energia chimica  dei composti inorganici 
Tra questi ultimi rientrano in particolare quelli trattati in questo lavoro, 
cioè i Batteri nitrificanti, che ricavano energia dall’ossidazione 
dall’ammoniaca a nitrito (appartenenti ai generi Nitrosomonas, 
Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosobulos) e da nitrito a nitrato (generi 
Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus), mentre limitano le altre esigenze 
metaboliche a sostanze semplici come acqua, anidride carbonica, 
solfati e alcuni sali minerali (Foch e Verstraete, 1977). 
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Rimozione biologica dell’azoto dalle acque reflue 
 
 
Le specie più interessanti nel campo dei trattamenti biologici sono 
sicuramente Nitrosomonas europea (sinonimo Nitrosomonas 
monocella) suddivisa in 13 ceppi* e Nitrobacter winogradskyi (sinonimo 
Nitrobacter agilis) a sua volta divisa in 6 ceppi. 
In letteratura è nota (Ramadori R., Tandoi V.) anche una nitrificazione 
eterotrofa, cioè realizzata da microrganismi che necessitano di 
carbonio organico per la crescita (Arthrobacter, Pseudomonas 
aeruginosa, Hansenula mrakii, Aspergillus flavus), che però avviene 
con una cinetica di due, tre ordini di grandezza inferiore a quella 
chemolitotrofa. 
Il processo di nitrificazione, trascurando la produzione di biomassa 
(0.15 mg di cellule per mg di azoto ammoniacale ossidato ad azoto 
nitrico), può essere rappresentato mediante le seguenti reazioni: 
Nitrosomonas sp. 
N-NH
4
+
  +  3/2 O
2
  ο  N-NO
2
-
 +  2 H
+
  +  H
2
O 
Nitrobacter sp. 
N-NO
2
-
 +  ½ O
2
 ο  N-NO
3
-
  
Riassumendo: 
N-NH
4
+
  +  2 O
2
  ο  N-NO
3
-
 +  2 H
+
  +  H
2
O 
 
 
* 
il ceppo si individua tenendo conto del diverso comportamento fisiologico dei batteri nell’ambito della stessa 
specie.
 
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I batteri chemolitotrofi utilizzano l’ammoniaca ed il carbonio inorganico 
per la sintesi cellulare, ottenendo l’energia per il metabolismo 
dall’ossidazione dell’azoto ammoniacale a nitriti e nitrati e servendosi 
dell’ossigeno molecolare come accettore finale di elettroni. 
  
Caratteristiche Genere 
 Nitrosomonas sp. Nitrobacter sp. 
Forma ovoidale o bastoncello
Dimensioni 0,6-0,8*1-2 µm 0,6-0,8*1-0,2  µm 
Motilità presente o meno
Colorazione di 
Gram 
negativa 
Tempo di 
generazione 
8-36 h 15-58 h 
Autotrofia obbligata per entrambi
Utilizzo 
ossigeno 
anaerobiosi stretta per entrambi 
 
Fig. 2: caratteristiche morfologiche e fisiologiche dei generi 
Nitrosomonas e Nitrobacter 
 
Assumendo che la composizione cellulare dei Nitrosomonas sp. e dei 
Nitrobacter sp. sia C
5
H
7
O
2
N e che i rendimenti di crescita per queste 
due specie batteriche siano rispettivamente 0.15 mg VSS*/mg N-NH
3
 e 
0.02 mg VSS*/mg N-NO
2, 
l’equazione biochimica di ossidazione 
completa a nitrato è: 
N-NH
4
+ 
+ 1.83 O
2 
+ 1.98 HCO
3
- 
 ο 0.02 C
5
H
7
O
2
N + 0.98 NO
3
-
 
+ 1.88 H
2
CO
3  
+ 1.04 H
2
O 
 
* solidi sospesi volatili: esprimono la quantità di biomassa prodotta 
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Questa equazione evidenzia tre aspetti di notevole importanza nel 
processo: 
1. La significativa richiesta di ossigeno: ne sono necessari circa 4,3 mg 
per mg di azoto ammoniacale ossidato ad azoto nitrico. Quindi è 
necessario assicurare almeno 2 mg/l di  O
2 
disciolto nelle vasche di 
reazione, perché sperimentalmente si è verificato che già sotto 1 
mg/l la nitrificazione rallenta, sino a inibirsi completamente sotto il 
valore di 0.2 mg/l di O
2.
 
 Al contrario i batteri nitrificanti non sembrano soffrire eccessive 
concentrazioni di O
2 
 disciolto, almeno sino a valori di 60 mg/l. 
2. La significativa richiesta di alcalinità necessaria a tamponare l’acidità 
prodotta dal metabolismo batterico come acido carbonico (circa 7 
mg come CaCO
3
 per mg di azoto ammoniacale ossidato). Visti 
alcuni recenti studi (Ekama e Marais, 1984) si assume che i batteri 
nitrificanti crescano alla loro velocità massima nell’intervallo di pH 
compreso tra 7.2 e 8.5. Appare quindi necessario prevedere la 
possibilità di dosaggio di un alcale, anche perchè il pH controlla la 
concentrazione di ammoniaca libera e l’acido nitroso indissociato, 
sostanze inibenti l’attività stessa dei batteri (Anthonisen et al., 1976).  
3. La scarsa produzione di biomassa nitrificante per peso unitario di 
azoto ammoniacale ossidato; i rapporti stechiometrici indicano la 
produzione di solo 0.17 grammi di biomassa per ogni grammo di 
azoto ammoniacale ossidato.  
Altri importanti aspetti da sottolineare riguardo al processo di 
nitrificazione: 
 ξ  I batteri nitrificanti sono sensibili all’azione inibente di un gran 
numero di sostanze che agiscono sia interferendo nel metabolismo 
generale delle cellule sia bloccando la formazione dei vari composti