microbiologia

Ramo delle scienze biologiche che ha per oggetto lo studio dei microrganismi, esseri viventi con dimensioni inferiori al millimetro, la cui osservazione richiede l’uso del microscopio ottico. I microrganismi possono essere eucarioti (protozoi, funghi microscopici e la maggior parte delle alghe), procarioti (alghe blu-verdi o Cianobatteri e batteri) o virus.

Cenni storici

L’esistenza di un mondo popolato da organismi estremamente piccoli era stata intuita fin da tempi antichissimi. Marco Terenzio Varrone parlava di animalia quaedam minuta quae non possunt oculis consequi, capaci di causare febbri palustri. Lucrezio nel De rerum natura speculava filosoficamente dell’esistenza nell’aria di ‘semi’ dannosi per l’uomo. Queste idee furono riprese e sviluppate dopo oltre 14 secoli da G. Fracastoro di Verona (15°-16° sec.) il quale enunciò per la prima volta il concetto della trasmissione delle infezioni nell’uomo e negli animali a opera di organismi viventi invisibili. La prima prova concreta dell’esistenza del mondo microbico fu fornita da A. van Leeuwenhoek (17°-18° sec.), un mercante di stoffe di Delft (Olanda), con un microscopio semplice da lui stesso costruito. Egli osservò e descrisse nel 1676 esseri infinitamente piccoli e vari per forma e dimensione che indicò con il termine di animalcula. Tuttavia il progresso delle conoscenze sugli esseri viventi piccolissimi fu ostacolato da credenze e superstizioni radicate nell’antichità, relative alla loro possibile generazione spontanea. Fu merito di L. Pasteur, padre della m. moderna, aver risolto definitivamente con brillanti esperimenti (1860) il problema dell’origine dei microrganismi e messo fine alle controversie sulla generazione spontanea.

La partecipazione dei microrganismi alle più diverse manifestazioni biologiche che si svolgono sulla Terra e la loro importanza nell’economia dei cicli vitali degli animali e delle piante hanno fatto sì che il loro studio prendesse uno sviluppo sempre maggiore. A queste constatazioni di ordine applicativo va aggiunto il fatto che alcuni microrganismi rappresentano modelli biologici che hanno trovato larghissima applicazione per lo studio di fenomeni biologici generali. La maggior parte delle scoperte fondamentali della biologia odierna sono state ottenute mediante lo studio di microrganismi. A partire dagli anni 1980 l’orizzonte della m. si è ulteriormente ampliato sia per l’impulso che le tecnologie del DNA ricombinante hanno dato a tutte le scienze biologiche, sia per l’aumentata conoscenza della grande varietà delle specie microbiche e della scoperta di nuovi mezzi tecnici atti alla diagnosi, cura e prevenzione delle patologie dovute a microrganismi.

La m., data la complessità della materia e la varietà degli interessi scientifici basali e applicativi, è stata suddivisa in differenti branche, quali la protozoologia, la micologia, la batteriologia e la virologia

Ecologia microbica

I microrganismi, sia autotrofi sia eterotrofi, fanno parte di una comunità chiamata ecosistema microbico, che comprende l’insieme degli organismi presenti in un determinato sistema e l’ambiente che ne favorisce la vita. Tra gli habitat più favorevoli ai microrganismi vi sono il suolo e le acque, ma essi vivono anche in ambienti molto caratteristici e limitati (microhabitat) quali quelli costituiti dai residui animali e vegetali, dagli alimenti umani, dalle superfici mucose e dell’epidermide. I microrganismi sono in grado, in condizioni ambientali particolarmente sfavorevoli, di elaborare un proprio habitat (per es., molti batteri formano spore e alcuni protozoi formano cisti). Batteri, alghe, protozoi e funghi, insieme con piante e animali, svolgono un ruolo importante nei cicli biogeochimici nei quali organismi viventi, eventi geologici e reazioni chimiche contribuiscono a trasformazioni cicliche di materiali indispensabili per la vita, per es. del carbonio, dell’azoto, dello zolfo e del ferro. Il metano è un importante prodotto del metabolismo microbico anaerobico operato da un gruppo di batteri altamente specializzati, detti metanigeni, e costituisce anche il substrato per i batteri, detti metanotrofi, aerobi obbligati, che utilizzano il metano come fonte di carbonio e di energia, ossidandolo ad anidride carbonica.

L’importanza dell’ecologia microbica risiede soprattutto nei suoi aspetti applicativi; per es., il biorisanamento di siti contaminati è un processo che utilizza sistemi microbici per la bonifica e il ripristino ambientale di suoli o di acque di falde inquinanti. Ceppi microbici ricombinanti (batteri, muffe, lieviti e alcuni cianobatteri), con nuove capacità degradative, potrebbero essere utilizzati per degradare composti chimici di sintesi, come insetticidi, erbicidi, materie plastiche, composti policlorurati o poliaromatici, chiamati nel complesso materiali xenobiotici, che tendono a persistere nell’ambiente.

M. agraria

Si occupa sia delle caratteristiche dei microrganismi presenti nel suolo in relazione alle modificazioni indotte nei prodotti agrari, sia delle eventuali patologie che essi determinano nelle piante. Fra i batteri presenti nella maggior parte dei terreni abbondano i generi Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, Rhizobium e Azotobacter; la loro concentrazione decresce con la profondità e dipende dalla natura del suolo. Gli actinomiceti, quali Nocardia e Streptomyces, sono molto diffusi in tutti i tipi di terreni, partecipano alla formazione dell’humus e regolano la popolazione batterica mediante la produzione di antibiotici. I cianobatteri, procarioti autotrofi ossigenici (il più diffuso è Nostoc), sono utilizzati come indicatori biologici dell’efficacia delle concimazioni in quanto assimilano le sostanze nutritizie, come le piante superiori. Inoltre, essi sono in grado di assorbire erbicidi e rappresentano pertanto un sistema di monitoraggio dell’inquinamento dovuto a tali prodotti. I funghi, microrganismi presenti nei terreni soprattutto in associazione a sostanze organiche in decomposi;zione essendo mineralizzatori del carbonio organico, sono considerati i principali produttori di humus. Le microalghe, quali, per es., Chlorella e Scenesdemus, insieme ai cianobatteri, colonizzano i terreni aridi, erosi e desertici e, nei suoli normali, forniscono ossigeno al sistema biotico, accelerando quindi la decomposizione per la formazione dell’humus. I protozoi sono rappresentati, nei suoli coltivati, soprattutto da flagellati e amebe; anche i virus si ritrovano nel terreno, perché portati dalle spoglie vegetali e animali. Le manifestazioni patologiche provocate da microrganismi nelle piante sono costituite da infezioni localizzate, necrosi, eccessiva crescita o arresto totale dello sviluppo della pianta, cancri, ruggini, marciume molle, macchie e avvizzimento. Si conoscono più di 1000 malattie delle piante coltivate, causate da virus che danneggiano il metabolismo dell’ospite e che sono trasmessi da una pianta all’altra mediante insetti o nematodi. I più comuni batteri patogeni che si trovano come parassiti delle piante o come saprofiti nel suolo sono Xanthomonas, Pseudomonas e Agrobacterium. La maggior parte delle malattie delle piante è tuttavia causata da funghi patogeni che, dopo aver infettato la pianta, ne usano i costituenti cellulari per favorire la propria crescita, causando lesioni necrotiche e alterazioni cromatiche.

La m. agraria ha studiato prodotti chimici o antagonisti biologici privi di tossicità, come i biopesticidi (➔ fitofarmaci), che permettono di ridurre l’utilizzo dei fertilizzanti chimici e di pesticidi che hanno progressivamente determinato livelli inaccettabili di inquinamento ambientale. La ricerca nel campo delle biotecnologie ha portato allo sviluppo e al miglioramento genetico di batteri azotofissatori (Rhizobium, Azospirillum) da impiegare direttamente nei semi di leguminose o di graminacee per contribuire alla fertilizzazione dei terreni agricoli, riducendo l’apporto di concimi azotati. Allo scopo di migliorare la produzione agricola, è stato possibile inoltre modificare geneticamente le piante (➔ Agrobacterium).

M. degli alimenti

Questa disciplina studia la provenienza delle varie specie microbiche presenti negli alimenti, il loro comportamento durante i processi tecnologici ai quali i prodotti sono sottoposti nel corso delle trasformazioni, la loro influenza nella conservazione dell’alimento e i processi biochimici che si manifestano nell’alimento stesso come conseguenza del metabolismo microbico. Interesse particolare è rivolto ai gruppi microbici la cui presenza nell’alimento può determinare sia l’insorgenza di infezioni e di intossicazioni alimentari, sia la modificazione delle caratteristiche organolettiche e delle proprietà nutritive. La crescita di microrganismi, sia naturali sia inoculati, causa cambiamenti chimici e strutturali che consentono di ottenere un prodotto che può essere conservato anche per lunghi periodi di tempo. Il processo di fermentazione a opera dei microrganismi può essere utilizzato per trasformare alimenti naturali in specialità gastronomiche e per creare sapori e aromi nuovi, come nel caso dei prodotti lattiero-caseari, delle bevande alcoliche, dei processi di panificazione. Alcuni microrganismi, per es. il cianobatterio Spirulina, sono sfruttati come sorgenti di proteine per l’alimentazione e vengono pertanto denominati proteine monocellulari (SCP, single cell proteins); queste possono essere utilizzate direttamente come fonte alimentare oppure come integratori di altri alimenti. Le biotecnologie hanno un grande impatto sull’industria alimentare per la possibilità di produrre additivi che, per es., modificano la fluidità dei liquidi o hanno funzioni gelificanti.

M. industriale

Prevede l’uso di microrganismi per produrre composti organici, antibiotici, varie sostanze farmaceutiche e integratori alimentari. Originariamente le mutazioni dei microrganismi e la selezione dei mutanti erano i mezzi principali per migliorare le colture da utilizzare nella m. industriale. A partire dagli anni 1980 le tecniche del DNA ricombinante hanno permesso di manipolare l’informazione genetica e di rendere i microrganismi in grado di produrre molecole utili.

M. dei beni culturali

Studio dei microrganismi coinvolti nel biodeterioramento di opere che, nel loro insieme, costituiscono il patrimonio dei beni culturali. La degradazione microbica della carta causa ingenti perdite del patrimonio librario, provocando diminuzione della resistenza della carta stessa e decolorazione. I microrganismi possono moltiplicarsi nelle vernici, sia nei relativi componenti prima della preparazione sia nel contenitore o nelle successive applicazioni della vernice stessa. Per evitare questi inconvenienti si utilizzano inibitori chimici, quali i composti di ammonio quaternario. La degradazione dei manufatti di cuoio e dei tessuti costituisce un grave problema: per la conservazione di lana e cotone, si aggiungono composti fenolici inibitori della crescita fungina. La corrosione di materiali contenenti ferro operata dai microrganismi è particolarmente critica in ambienti anaerobi saturi d’acqua, Thiobacillus thiooxidans causa i principali danni strutturali alle opere in calcestruzzo.

M. medica e veterinaria

Studiano i microrganismi come agenti di malattie infettive nell’uomo e negli animali. Gli scopi della m. medica possono essere raggruppati in diverse grandi categorie: a) studio di malattie infettive, delle quali sono ancora ignoti i microrganismi responsabili, allo scopo di identificarli (studi eziologici); b) ricerche microbiologiche su casi clinici a scopo diagnostico; c) studio della diffusione dei microrganismi patogeni nell’ambiente e modalità di trasmissione (epidemiologia); d) studio dei metodi atti a impedire l’estrinsecazione delle attività patogene dei microrganismi nell’uomo e negli animali (profilassi); e) studio delle modalità con cui i microrganismi provocano malattie (patogenesi). Di particolare interesse sono gli studi sui meccanismi con cui le cellule del sistema immunocompetente e le cellule accessorie (in particolare i fagociti) sono in grado di contenere il potenziale patogeno dei microrganismi. Tra la fine del 19° e l’inizio del 20° sec. si è arrivati al riconoscimento dell’eziologia della maggior parte delle malattie determinate da batteri. Studi sui virus, con l’impiego di embrioni di pollo e di colture di cellule animali in vitro, hanno portato a conoscere gli agenti eziologici di numerosissime malattie infettive di origine virale; è stato dimostrato che un notevole numero di neoplasie di animali è determinato da virus. La diagnosi microbiologica può essere eseguita mediante l’isolamento e l’identificazione del microrganismo responsabile, oppure con la ricerca degli anticorpi specifici nel siero del malato, ossia con la sierodiagnosi. Le ricerche epidemiologiche hanno per scopo lo studio della diffusione dei microrganismi patogeni nell’ambiente, delle modalità con cui vi vengono immessi e delle capacità di sopravvivenza. Esse cercano di fornire dati necessari per l’impiego di mezzi preventivi, allestiti per impedire l’impianto e la diffusione di microrganismi patogeni tra i soggetti sani sensibili, ricorrendo all’eliminazione dei microrganismi patogeni dall’ambiente o a siero- e vaccinoprofilassi dei soggetti esposti. Lo studio della patogenesi delle malattie infettive si esegue allo scopo di individuare i rapporti tra il microrganismo e l’ospite durante tutte le fasi dell’infezione per trarre conoscenze utili sia per la profilassi sia per la terapia.

Le infezioni microbiche e parassitarie che colpiscono gli animali rappresentano un notevole problema, in quanto la morbosità e la mortalità degli animali domestici e da allevamento influenzano immediatamente le scorte alimentari e quindi il benessere dell’uomo. Negli animali domestici le malattie di origine batterica, quali il carbonchio, la brucellosi, la listeriosi, sono le più comuni. L’afta epizootica, malattia acuta contagiosa degli animali (equini, suini, ovini e caprini), è causata da sette diversi sierotipi di Aphtovirus. Infezioni virali comuni negli animali sono il cimurro del cane e la leucemia felina (FeLV). La malattia virale bovina più importante dal punto di vista economico è l’infezione dovuta all’herpesvirus 1 bovino (BHV1), che può colpire il bestiame di ogni età e razza in vari apparati. Molto frequenti sono le malattie fungine: per es., l’aspergillosi, causata da Aspergillus fumigatus, è una malattia invasiva polmonare che colpisce di norma gli uccelli, ma che può infettare anche altri animali e l’uomo. Esistono inoltre malattie degenerative del sistema nervoso centrale, che colpiscono diverse specie animali, i cui agenti patogeni sono i prioni (➔ encefalopatia). Talvolta gli agenti eziologici possono essere trasmessi all’uomo che viene in contatto con animali malati o infetti (➔ zoonosi). La prevenzione e il controllo delle malattie infettive animali prevedono l’immunizzazione attiva artificiale (vaccinazione) di animali suscettibili all’infezione, la quarantena, la disinfezione, la distruzione o l’eliminazione degli animali infetti, il trattamento terapeutico o profilattico con agenti antimicrobici, una migliore zootecnia per diminuire lo stress e migliorare l’igiene (eliminazione di insetti vettori, migliore alimentazione, sviluppo di razze resistenti, disinfezione dei locali occupati dagli animali).